物理システム工学科３年次　物性工学概論
第１回講義　東京農工大学副学長　佐藤勝昭

e-mail: satokats@cc.tuat.ac.jp Web: http://www.tuat.ac.jp/~katsuaki/

（１）授業概要

– 物性というのは物質の物理的性質を学ぶ学問で、物質科学とも呼ばれる。この「物性工学概論」という科目は、物質の性質を知ってそれを制御し応用する力を付けるために設けられた。

– この講義では、主としてエレクトロニクスに用いられる材料につき、その不思議を解き明かし、実際にどのように応用されるかに重点を置き、各種材料の光物性と光エレクトロニクスを中心にその物理的概念と考え方を学ぶ。

– 対象となる材料は、金属材料、半導体材料、誘電材料、光エレクトロニクス材料、磁性材料等である。これらの材料を通じて、光物性を中心に、半導体物性や磁性などの諸物性について、およその概念を学ぶとともに、固体物理学などの学習のための動機付けとしたい。

（２）物性工学概論シラバス：授業内容（変更されることがあります）

• 2006.04.11 第１回「物性」とは何？

• 2006.04.18 第２回金属[1]金属とは何か

• 2006.04.25 第３回金属[2]金はなぜ金ぴかか

• 2006.05.09 第４回半導体[1]半導体の色

• 2006.05.16 第５回ミニテスト（１）

• 2006.05.23 第６回半導体[2]光る半導体

• 2006.05.31 第７回半導体[3]光を電気に変える

• 2006.06.06 第８回光エレクトロニクス(1) 光ファイバー通信

• 2006.06.13 第９回ミニテスト（２）

• 2006.06.20 第10回光エレクトロニクス(2)半導体レーザーの原理と応用

• 2005.06.27 第11回光エレクトロニクス(3)光ディスクと材料

• 2005.07.04 第12回光エレクトロニクス(4)有機化合物とディスプレイ

• 2005.06.11 第13回スピンエレクトロニクス(1)磁性基礎

• 2005.07.18 第14回スピンエレクトロニクス(2)磁性の起源・磁気記録

• 2005.07.25 第15回スピンエレクトロニクス(3)磁気抵抗効果とMRAM

• 2006.08.01 第16回期末テスト

第1 回「物性」とは何か

· 物性物理学とは、物質のもつさまざまな性質を物理学によって説明しようという学問です。原子物理学が究極の粒子にまで遡るのとは逆に、多数の原子からなる複雑な系をどう扱うかが重要です。

· 対象は、流体、固体に限らず、いろいろあります。

· この講義では、現実に使われているさまざまな材料をとりあげ、それらの性質や機能が物質のどのような物理的・化学的性質に由来するかを学びます。

物性→材料→デバイス→システム：携帯電話を例に

· 携帯電話はいくつかのデバイスからなるシステム

Ø アンテナ・フィルタ・トランジスタ・ディジタル回路・コンピュータ・画像表示（液晶）・音声入出力

· 各デバイスにはさまざまな材料が使われている

Ø 電極用金属・透明電極・高周波用半導体(GaAlAs etc)・LSI用半導体(Si)・液晶駆動用半導体・誘電体(SiO2など)・液晶・発振器用水晶・SAWフィルタ用ニオブ酸リチウム

· 各材料は、それぞれの物理的機能に応じて用いられる

Ø 金属：伝導性、加工性、光反射

Ø 半導体：伝導制御可能性、高移動度、光電変換性

Ø 誘電体：誘電率、絶縁性、分極制御性、透明性

携帯電話を分解

· 回路基盤： さまざまな半導体素子、ＬＳＩ、水晶振動子等が基板に装着されている

· キーボード

· ＬＣＤ( 液晶表示装置）および駆動回路

· リチウム電池

半導体回路

– プリント基板（ガラスエポキシ、ベークライトなどのプラスチックに銅配線がされ、部品を差し込む穴があけられている）にトランジスタ、LSI、抵抗、キャパシタなどが取り付けられている

半導体デバイス

· トランジスタ、ダイオード（半導体能動素子）

· IC(集積回路）：１つの基板上に複数個の電子部品(トランジスタ、抵抗器、キャパシタ、金属配線)などを作り込んだもの

· LSI（大規模集積回路）：コンピュータのCPU、DRAMなどのように数百万個におよぶ電子部品から構成される素子

半導体プロセス

液晶ディスプレイ

· 液晶を光スイッチとして使用

· 直交偏光板ではさんだ液晶内での偏光の伝搬

· 電界印加により液晶分子の配向を制御

· ＴＦＴ(薄膜トランジスタで各画素のRGBを個別に選択制御)：アモルファスSiから多結晶Siへ

· 利点：薄型、省電力、高精細度、ちらつきがない

· 欠点：視角依存性、バックライト必要、大画面に問題

液晶

液晶は、液体と固体の中間的物質

· 1888年：液晶を発見：ライニツァー(オーストリアの植物学者)

· 「液晶」とは、固体と液体の中間にある物質の状態（イカの墨や石鹸水など）を指す。

· 液晶の理学は1968年頃、フランスの物理学者de Gennesによって確立された。

液晶分子の配向と電界制御

· 液晶分子の配向

· 配向剤を塗布、ラビング。分子をラビング方向に配列

· 電界による配向制御(液晶分子は電気双極子)

暮らしの中の材料はいろいろ

· 暮らしの中にはいろんな材料が使われている。

· 身の回りのものにどのような材料が使われているのか考えてみよう。

· たとえば、自動車

ボディーは？ブレーキは？エンジンは？制御用マイコンは？カーナビは？ダッシュボードは？ライトは？ETC は？タイヤは？ウィンドーは？

材料を分類 してみよう

· 材料の用途：構造材料と機能材料

· 化学的分類：無機材料,有機材料

· 導電的分類：超伝導体,金属(導体),半導体,絶縁体

· 誘電的分類：高誘電率材料，強誘電体

· 磁気的分類：強磁性体，常磁性体，反磁性体

· 光学的分類：透明材料,複屈折材料,非線形光学材料,高反射率材料,蛍光材料,光電変換材料

· 原子配列による分類：結晶,非晶質,準結晶,超格子,液晶

分類（１）　用途による分類
構造材料と機能材料

· 同じ鉄でも構造材料としての鉄と機能材料 としての鉄がある。

· 構造材料としての鉄：通常鋼が用いられる

・ 建造物・筐体・棚[ 建造物、車両、船舶] （鉄骨、鉄筋、鋼板・鋼板、アングル）

・ 使われる物性：硬さ、強靱性、弾性、塑性など

· 機能材料としての鉄：通常合金、化合物を使用

・ 磁石、磁気記録、センサ、アクチュエータ

· 共通の特徴：3d遷移元素であること

分類（２）　化学的分類[1]
無機材料と有機材料

· 無機材料(inorganic material)には、金属材料とセラミクス材料とがある。

· 金属材料には、金属元素単体と、他の元素との合金とがある。

· セラミクスには、珪素のような非金属の元素単体と、金属元素の酸化物、硫化物、窒化物などアニオンとの化合物がある。

· 有機材料(organic materials)は,炭素Cを構成元素とする物質

(ダイヤモンド、グラファイト,CO₂,CO、炭素塩、シアン化合物を除く。)

· Cが特別な位置を占めている理由：Cのみがお互いにどんどん結合しあって、大きな化合物を作ることができるから

分類（２）　化学的分類[2]
結合による分類

· 共有結合：ダイヤモンド、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム

· イオン結合：塩化ナトリウム、酸化マグネシウム、硫化亜鉛、酸化亜鉛

· 金属結合：ナトリウム、カリウム、アルミニウム、鉄、銅

· ファンデアワールス結合：グラファイト

分類（３）　電気的分類
超伝導体,金属,半導体,絶縁体

· 電気伝導性から分類

・ 大きく分けると導体、半導体、不導体（絶縁体）

· 導体には、超伝導体と金属性導体がある

・ 半導体の導電率は、導体と不導体の中間に位置する

· 絶縁体には、ウィルソン型とモット型がある

· 電気の運び手による分類

・ 電子伝導体

・ イオン伝導体

分類（４）誘電的分類
永久双極子の有無

・ 液晶分子は永久双極子をもつ、電界で配向する

・ 強誘電体は電気双極子が整列し自発分極をもつ

· 誘電体の用途

・ コンデンサ用誘電体（固体、液体）

・ 電子デバイス用誘電体膜（DRAMキャパシタ、ゲート絶縁膜）

・ 圧電材料（水晶振動子、高周波フィルタ、アクチュエータ）

・ 絶縁材料（碍子、層間絶縁、電線用被覆）

・ 光学的用途（光学多層膜、光ディスクのコントラスト増強膜）

分類（５）　磁気的分類
自発磁化の有無による分類

・ 自発磁化あり：強磁性、フェリ磁性

自発磁化なし：反磁性、常磁性、反強磁性

強磁性体・フェリ磁性体の分類

・ 軟質磁性、硬質磁性、半硬質磁性

磁性の起源による分類

・ 局在電子磁性（原子に局在した電子による）

・ 遍歴電子磁性（結晶中に広がった電子による）

分類（６）光学的分類　

・ レンズ材料（透明性、高屈折率）

カメラ用、光ディスク用光学ピックアップ、フォトリソグラフィ用

・ 偏光材料（偏光子、1/4波長板）

ＣＤ用偏光フィルム、ＭＤ用ピックアップ、
光アイソレータ用偏光子、ディジカメ用位相補償子

・ 非線形光学材料

ＳＨＧ用材料（赤外ＬＤの波長を可視変換）

・ 発光材料

ＣＬ発光材料（ＣＲＴ、ＦＥＤ）、フォトルミ材料（蛍光灯、ＰＤＰ）
ＥＬ材料（無機、有機）、ＬＥＤ・ＬＤ材料

・ 光電変換材料

太陽電池材料、光導電材料

分類（７）　原子分子配列による分類
結晶・非晶質

· 結晶か非晶質（アモルファス）か

・ ＬＳＩ、ＬＥＤなどには単結晶が使われる

・ ＬＣＤ（液晶表示）用のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）には、多結晶・非晶質が使われる

・ 太陽電池には多結晶、非晶質が使われる

・ ガラス、シリコン酸化膜

· 原子・分子配列の秩序

・ 結晶は原子または分子の長距離秩序あり

・ 非晶質は短距離秩序あるが、長距離秩序なし

・ ５角形では空間を埋め尽くせない（準結晶）

次回の予習課題
「金属とは何か 」

· 元素の周期表をご覧下さい

· 理科年表にでています

· このうち「金属に分類される物質にどんなものがあるか」 調べてきてください

– 通常金属にどんなものがあるか

– 遷移金属は周期表のどの部分にあるか　

– 希土類は周期表のどの部分にあるか

金属の特徴

· 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)

· 機械的性質

· 弾性と塑性

· 塑性：展性と延性

· 金属結合との関係

· 電気的性質

· 良導体

· 導電率の温度変化

· 自由電子

第１回の課題

· 第1回の講義を聴いて

· 物性工学概論はどのような科目だと思いましたか

· もっと知りたいと思ったことは何ですか

· これまで学んだ物理学や化学などとのつながりを感じましたか

· ３年で学ぶことへのきっかけになりそうですか