物性工学概論 第２回 金属の話 (1) 佐藤勝昭

講義計画 4/8 イントロ 4/15 改めてイントロ 金属の話 4/22 金はなぜ金ぴかか 金属の光学的性質 5/6 シリコンの金属光沢 半導体のバンド構造と光 5/13 青色 LED とレーザ 半導体の発光 5/20 太陽電池と光センサ 半導体の光起電力効果 5/27 ミニテスト 6/3 光が変えたＩＴの世界 光ファイバー通信 6/10 DVD はどこまで進むか 光ストレージの原理と将来 6/17 CRT から PDP ・ FED へ 進化するディスプレイ 6/17 LCD と有機 EL 有機エレクトロニクスの進展 6/24 磁性入門 HDD を支えるナノテクノロジー 7/1 光と磁気 1 MD と MO そして hybrid 記録 7/8 光と磁気 2 光通信と光アイソレータ 7/15 宝石の色 3d 電子系の配位子場遷移 7/29 期末試験 講義内容は進行の状況により変更 される場合があります。

第１回の感想・要望など 身近なところでたくさんの物理現象が存在していることに驚いた。金・銀・銅の 色の見え方（反射率など）が具体的でわかりやすかった。今後、光ファイバーや 液晶、プラズマディスプレイなどについて詳しく説明して欲しい。 ( 今野 ) 身近な技術が物理を使って理解できるので、今後の授業が楽しみだ。最近パソコ ンの通信速度に悩んでいるので光ファイバー通信技術についてもっと知りたい。 ( 山中 ) 内容が身近なものを扱っているので、興味のある話が多かった。面倒な計算や式 なさそうなので、話に集中できそう。 ( 松本 )→A. 自由電子の運動と分極などで、 少し式を使います。我慢して聞いてください。 自分たちの普段使っているものの構造原理とか仕組みを学ぶ内容なので興味がわ きます。 ( 市村 ) この科目は、これまでの科目より現実にどう使われるについて学ぶということな ので、非常に興味が持たれる。 ( 村上 ) 直接的でわかりやすくて面白い授業を期待しています。 ( 中島 ) 物性の講義は以前から受けてみたいと思っていたが、期待通り。内容はなかなか 興味のあるものでした。特に磁気ディスクの話に興味がありました。 ( 小尻 ) 物性工学は僕らの身の回りの機器に関することが多いのでしっかり学びたいです。 液晶ディスプレイや光ファイバー通信、太陽電池などは興味深く学んでいきたい です。 ( 柳澤 ) とても興味を持ちました。ＨＤやＣＤ ± Ｒ、ＤＶＤ ± Ｒのことは前から知りたいと 思っていたので楽しみです。 ( 佐藤豊 ) 光関係は興味があるので楽しみです。 ( 白橋 )

感想つづき この科目に興味を持つことはできた。アナウンスはもっと早くして欲しい。 ( 西 浦 )→A. アナウンスが遅くなりすみません。 ＣＤ、ＤＶＤ ± ＲＷの仕組みをもっと詳しく知りたい。 Q: 光ファイバーのデータ通信量は何によって決まっているのか。 ( 平田 )→A. 半導 体レーザをパルス信号で電気的に点滅させるときの応答速度や、ファイバー内で の波形のひずみなどで決まっています。 覧具先生が光ファイバー通信の ( 基本に関わる重要な ) 論文を出されているという話 に驚いた。液晶ディスプレイや実際に工業に活かされている技術を学ぶことは楽 しみである。 ( 平木 ) 結晶よりアモルファスの方がよいという ( 場合がある ) というのがとても面白かった。 規則正しく並んでいるものの方が性能が良いというイメージがあるが、「バラバ ラのものの方が均一」というのが新しい感覚で興味深かった。 ( 筒井 ) 農学部付近に１カ所だけ ( 授業で出た LED 式の ) 新型の信号があってなぜだろうと 思っていたが、旧式の電球を換える団体とのかねあいがあるということを今日わ かった。面白そうな講義だと思った。 ( 眞下 ) 今回の授業の中心になる一言は、「 30 分が、２時間の火曜サスペンスを録れるよ うになる。」ということだった。今ある技術でなんとかなるのだろうが、技術を 使うのは人間であり、その人間がいかに便利であることを実感できるということ の重要さを考えさせられた。実用性について聞けたのはうれしい。 ( 安藤 ) 先生の授業で取り上げるかどうかわかりませんが、カーボンナノチューブについ て時間があれば教えてください。特性とか物理との関わりとか。 ( 須藤 )→A. カー ボンナノチューブ ( ＣＮＴ ) は、ＦＥＤ ( 電界放出型ディスプレイ ) の電極材料として も注目されているので、ディスプレイの話の時に触れたいと思います。

感想・要望つづき 内容は面白そうだけど難しそうである。 ( ) 難しそうな講義だと思いました。 ( 坪内 ) 今日は難しくてよくわかりませんでした。これから頑張ります。 ( 金田 ) いきなり知らない単語が連発されるととまどう。興味をもつけれども、口頭だけ で説明されるとイメージしづらいです。比喩してくれたところはわかりやすかっ た。図とかを使ってくれるとうれしいです。（佐藤俊） →A. 初回なので全体にど のようなことを講義するかを手短に紹介しました。自由電子のプラズマ振動のと ころはわかりにくかったかもしれません。各章のところでは図や式を使いながら 説明します。 難しい言葉が１つや２つくらいなら「そんなものがあるのだな」と思って中途半 端ながらも理解できますが、５つ、６つ連続で来られると、脳が拒否するので、 そのときは図を、２重３重にして視覚的にわかるようにして欲しい。 ( 宮本 )→A. 熱心なキミがそう言うのならみんなにとっても難しいのだろうね。そんなときは、 その場で、話を遮って質問してください。 エレクトロニクス II と同じように、この授業でも毎回プリントを配るのですか。 ( 井出 ) 、エレクトロニクスの時と同じように先生のホームページにプリントは掲載 されるのですか。 ( 中願寺 )→A. なるべくプリントを配布します。同じ内容は、 ネットにもはり付けます。でも、授業に出てくださいね。

金属とはなにか 金属とは : 金属光沢を持ち、電気と熱をよく導き、固体 状態では展性・延性に富む物質 ( 岩波・理化学 辞典 )

元素周期表 odic_table_s.htm 典型非金属典型金属 IAIIAIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIIBIIBIIIBIVBVBVIBVIIB H1H 2 He He 2 3 Li Li 4 Be Be 5B5B 6C6C 7N7N 8O8O 9F9F 10 Ne Ne 3 11 Na Na 12 Mg Mg 13 Al Al 14 Si Si 15 P P 16 S S 17 Cl Cl 18 Ar Ar 4 19 K K 20 Ca Ca 21 Sc Sc 22 Ti Ti 23 V V 24 Cr Cr 25 Mn Mn 26 Fe Fe 27 Co Co 28 Ni Ni 29 Cu Cu 30 Zn Zn 31 Ga Ga 32 Ge Ge 33 As As 34 Se Se 35 Br Br 36 Kr Kr 5 37 Rb Rb 38 Sr Sr 39 Y Y 40 Zr Zr 41 Nb Nb 42 Mo Mo 43 Tc Tc 44 Ru Ru 45 Rh Rh 46 Pd Pd 47 Ag Ag 48 Cd Cd 49 In In 50 Sn Sn 51 Sb Sb 52 Te Te 53 I I 54 Xe Xe 6 55 Cs Cs 56 Ba Ba 57 ～ 71 * 72 Hf Hf 73 Ta Ta 74 W W 75 Re Re 76 Os Os 77 Ir Ir 78 Pt Pt 79 Au Au 80 Hg Hg 81 Tl Tl 82 Pb Pb 83 Bi Bi 84 Po Po 85 At At 86 Rn Rn 7 87 Fr Fr 88 Ra Ra 89 ～ 103 ** 104 Unq Unq 105 Unp Unp 106 Unh Unh 107 Uns Uns 108 Uno Uno 109 Une Une 遷移金属 * 57 La La 58 Ce Ce 59 Pr Pr 60 Nd Nd 61 Pm Pm 62 Sm Sm 63 Eu Eu 64 Gd Gd 65 Tb Tb 66 Dy Dy 67 Ho Ho 68 Er Er 69 Tm Tm 70 Yb Yb 71 Lu Lu* 89 Ac Ac 90 Th Th 91 Pa Pa 92 U U 93 Np Np 94 Pu Pu 95 Am Am 96 Cm Cm 97 Bk Bk 98 Cf Cf 99 Es Es 100 Fm Fm 101 Md Md 102 No No 103 Lr Lr * ランタノイ ド元素 ** アクチノイ ド元素

さまざまな金属元素 Ia 属 ( アルカリ金属 ) Li, K, Na, Rb, Cs,Ia 属 ( アルカリ金属 ) IIa 属 ( アルカリ土類金属 ) Be, Mg, Sr, BaIIa 属 ( アルカリ土類金属 ) Ib 属 ( 貴金属 ) Cu, Ag, AuIb 属 ( 貴金属 ) IIb 属 ( 亜鉛属 ) Zn, Cd, HgIIb 属 ( 亜鉛属 ) IIIb 属 Al, Ga, In, Tl, IV 属 PbIIIb 属 半金属 IV: Sn, V: Sb, Bi 遷移金属 –3d 遷移金属： Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni3d 遷移金属 –4d 遷移金属 :Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd –5d 遷移金属 :La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt 希土類 : –4f:Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu –5f:Th,Pa,U,Np,Pu,Am,Cm,Bk,Cf,Es,Fm,Md,No,Lr

電子のエネルギー準位 1s 2 など 1s 2 というのは 1s 軌道に 2 個の電子が存在する ことを表す。 s, p, d, f は軌道の型を表し、そ れぞれが方位量子数 l =0, 1, 2, 3 に対応する。

Ｉａ族 ( アルカリ金属 ) WebElementsTM Periodic table （ ）より 1s 2 2s 1 [Ne].3s 1 [Ar].4s 1 [Kr].5s 1 2 S 1/2 [Xe].6s 1 リチウム ナトリウム カリウム ルビジウム セシウム

ＩＩ a 属金属 ( アルカリ土類 ) WebElementsTM Periodic table （ ）より [He].2s 21S01S0 [Ne].3s 2 [Ar].4s 2 [Kr].5s 2 [Xe].6s 2 [Rn].7s 2 ベリリウム マグネシウム カルシウム ストロンチウム バリウ ム ラジウム

３ｄ遷移元素 WebElementsTM Periodic table （ ）より [Ar].3d 1.4s 2 2 D 3/2 [Ar].3d 2.4s 2 3F23F2 [Ar].3d 3.4s 2 4 F 3/2 [Ar].3d 5.4s 1 7S37S3 [Ar].3d 5.4s 2 6 S 5/2 [Ar].3d 6.4s 2 5D45D4 [Ar].3d 7.4s 2 4 F 9/2 [Ar].3d 8.4s 2 3F43F4 [Ar].3d 10.4s 1 2 S 1/2 スカンジウムチタンバナジウム クロム マンガン 鉄 コバルトニッケル銅

貴金属 WebElementsTM Periodic table （ ）より [Ar].3d 10.4s 1 [Kr].4d 10.5s 1 [Xe].4f 14.5d 10. 6s 1 2 S 1/2 銅銀 金

IIb 属、 IIIb 属金属 WebElementsTM Periodic table （ ）より 亜鉛カドミウム 水銀 [Ar].3d 10.4s 2 [Kr].4d 10.5s 2 [Xe].4f 14.5d 10.6s 2

金属の機械的性質 金属は、弾性限界を超えた応力に対し永久歪みをとも なって変形する。このような変形を塑性 (plasticity) と いう。 弾性変形と塑性変形の境界点を降伏点という。 塑性には展性 (malleability) と延性 (ductility) がある。 – 展性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず箔 に広げられる性質。 – 延性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず引 き延ばされる性質。硬度の高いものほど延性が小さい。 脆性破壊 (brittle fracture) ：塑性変形を伴わず、割れの 急速な進展によって破壊することである。劈開など。 疲労破壊 (fatigue) ：繰り返し応力が加わって破壊がお きる現象。軟らかい（硬度の低い）金属は疲労破壊を 生じない。

応力 - 歪み曲線 応力

金属結合 金属においては、原子同士が接近していて、外殻の s 電子は互 いに重なり合い、各軌道は２個の電子しか収容できないので 膨大な数の分子軌道を形成する。 電子は、それらの分子軌道を自由に行き来し、もとの電子軌 道から離れて結晶全体に広がる。これを非局在化するという。 正の原子核と負の非局在電子の間には強い引力が働き、金属 の凝集が起きる。 この状態を指して、電子 の海に正の原子核が浮 かんでいると表現される。

遷移金属はなぜ硬い 金属結合は、原子の外殻電子のうち s,p 電子が 結晶全体に広がることによって全エネルギー が低下することが原因ですが、このことが通 常金属 (Na, Mg, Al など ) や貴金属 (Cu, Ag, Au) の柔らかさをもたらします。一方、 Fe, Ti な ど遷移金属の結合には d 電子が寄与しています。 遷移金属では、原子あたりの電子数が多く、 電子の海に供給する電子数が多いことが結合 の強さをもたらし、高い融点と硬さをもたら しています。

高い電気伝導率 電気伝導率 ( 導電率 ) の式  =ne  を導こう 電流密度 J = 単位時間に単位面 積を流れる電荷の総量 = nev 速度 v = 移動度  × 電界 E 従って、 J=ne  E   E これより  =ne  金属の導電率の高さ → キャリ ア数 n による v ne

高い熱伝導率 熱伝導＝格子熱伝導＋電子熱伝導 電子数が多い → 電子熱伝導が大きい Wiedeman-Franz の法則  /  =LT  = 熱伝導率、  = 電気伝導率 L= ローレンツ数、 T= 絶対温度 [ 注 ] 逆は真ならず。熱伝導がよいからといっ て電気伝導率が高いとは限らない。 例） ダイヤモンド

次週の予告と予習のポイント 次週の予告＝金はなぜ金ぴかか：金属の色 様々な光の色を３原色 ( 赤、緑、青 ) で表すこ とができるのはなぜか。 金属に外部から高周波電界の加わったとき、 自由電子の運動方程式を立てよ。 誘電率の実数部が負の値をとると、高い反射 率となることを確かめよう。 参考書：機能材料のための量子工学第４章