Transcript E - 東京農工大学
鮫島俊之、飯村靖文 協力：上野智雄、白樫淳一、清水大雅、蓮見真彦 Introduction 1．講義ノートはホームページからダウンロードする １）http://www.tuat.ac.jp/~sameken/ ２）講義ノートのメニューバーをクリック ３）2012年電気電子材料 (2年次前期)のコーナーの電 気電子材料 (ppt) をクリック Introduction ２．概要・目標 エレクトロニクス機器を構成する多くの材料の知識特 徴を習得することを目標とする。単元素材料のみなら ず数多く開発されている化合物材料の特性を系統的に 学ぶ Introduction ３．授業内容 教員の講義のみならず学生自身の参加型授業を行う。 そして学生独自の材料調査によるレポートをもとにして、 学生の手による「電気電子材料事典」を作成する。 ４．必修科目 ５．成績評価： レポート、発表、 「電気電子材料事典」作成 MOTIVATION i-phoneの表面をヒュっとこすると画面がスクロールする のはなんでだろう？一見普通のガラス板だがどんな材 料が使われているんだろう？ ＵＳＢメモリーってなんだろう？どんな構造だろう？ 原子力発電所はどうなっているんだろう？どんな材料が つかわれているのだろう？ヨウ素１３１ってなんだろう？ レアメタルってレアなのになぜ良く耳にするんだろう？ なぜ必要なんだろう？ MOTIVATION 電気電子機器には実にさまざまな材料が利用 されている。 それらは単体元素であり、化合物である。 それらは主たる構成物質であり、添加物である。 そして最良最適の材料の開発の歴史がある。 MOTIVATION 電気電子機器に強くなるために材料に強くなろう。 世の中にはどんな材料があるのかを勉強しよう。 そして将来の技術開発の知恵知識を身につけよう。 授 業 内 容 ・周期律表のさまざまな元素を解説する。 ・絶縁体、金属、有機物、半導体の特徴について 解説する。 ・学生諸君自ら材料探査調査を行う。 ・調査した材料のレポートを作成する。 ・授業中に調査内容を発表する。 ・全員協力して、 「電気電子材料事典」を作成する。 電気電子材料事典 ・電気電子材料事典は学生諸君の手による資料集である。 ・単体元素あるいは化合物を調査してまとめる。 ・学生諸君の名を刻み電気電子工学科ＨＰに掲載する。 ・毎年更新充実化する。 ・電子デバイス、電子物性等他の授業でも活用される。 電気電子材料事典 東京農工大学電気電子工学科 電気電子材料事典 物質名：非晶質シリコン（アモルファスシリコン）（a-Si:H)など 応用分野：当該材料が用いられているデバイスを挙げどのような 作用が利用されているかを分かりやすく解説する。図面データ付。 構造・特性：当該材料の構造的特徴、主な重要な諸特性を詳しく 分かりやすく解説する。図面データ付。 歴史：当該材料がいかにして発見あるいは開発されたかを調査し 解説する。 使用者の情報：農工大（他大学でも可）の専門の先生にイン タビューして専門家ならではの解説記事を取り編集して掲載する。 授 業 内 容 回月日 １回4/12 内 容 イントロダクション 教授陣 蓮見 及び周期律表の元素の解説 2回4/19 周期律表の元素の解説 鮫島 3回4/26 誘電体についての解説 飯村 ４回5/10 金属体についての解説 白樫 5回5/17 半導体についての解説 上野 6回5/24 学生の材料調査 鮫島 7回5/31 有機物体についての解説 飯村 授 業 内 容 8回6/7 学生の材料調査 9回6/9（土） 半導体についての解説 10回6/14 11回6/21 磁性体についての解説 学生の材料調査 12回6/28 有機物体についての解説 飯村（鮫島） 鮫島 清水大雅 飯村 飯村 13回7/5 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 14回7/12 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 15回7/19 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 学生諸君自ら材料探査調査 ・周期律表のさまざまな元素を解説する。 ・絶縁体、金属、有機物、半導体の特徴について 解説する。 ・学生諸君自ら材料探査調査を行う。 ・調査した材料のレポートを作成する。 ・授業中に調査内容を発表する。 ・全員協力して、 「電気電子材料事典」を作成する。 学生諸君材料探査調査 ・主に化合物の調査。 ・応用分野：当該材料が用いられているデバイス。どのよう な作用が利用されているか解説する。図面データ付。 ・構造・特性：構造的特徴、主な重要な諸特性を詳しく分か りやすく解説する。図面データ付。 ・歴史：当該材料がいかにして発見あるいは開発されたか 電気電子材料事典 東京農工大学電気電子工学科 を調査し解説する。 ・先生方の情報：アドバイザー先生にインタビュー。 ・分量に制限無し アドバイザリー教員 須田先生 sudayos： 四族半導体 上野先生 tomoueno： 化合物半導体、半導体用絶縁体 白樫先生 shrakash： 化合物半導体、金属 田中洋先生 tyosuke： 光学材料、絶縁体 清水大先生 h-shmz： 磁性体、強誘電体 蓮見先生 mhasumi： 超伝導体、金属 鄧 明聡先生 deng： 飯村先生 iimura： 絶縁体 有機物 鮫島先生 tsamesim： 半導体、単一元素 学生諸君材料探査調査 ・5人程度のＧｐでの調査 ・4年、修士学生諸君がチューターを務める。 ・期間：5月24日～6月21日 ・１Ｇｐ15個の材料調査を目標とする。 ・アドバイザー先生にインタビュー：Gp単位、必ず予約 ・指定のフォーマットにまとめる。 電気電子材料事典 東京農工大学電気電子工学科 ・分量に制限無し ・7月5日 編集作業の予定 ・幹事 調査対象材料群 IV半導体、II-VI化合物半導体、III-V化合物半導体 絶縁体（半導体デバイス用（誘電体））,絶縁体（電力用）、 絶縁体（光学デバイス用） アルカリ金属、アルカリ土類、遷移金属、レアメタル、 磁性体、強誘電体、超伝導体 有機物 単一元素表 元素の周期表 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1 H 2 Li Be 8 1 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 He 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 3 Na Mg B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A L A La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス 元素の周期表の歴史 19世紀中頃までにすでに多数の化学元素が発見されていた． 当然疑問が起こった これらの元素は何か相互に関連があるのだろうか？ それともそれらがもっている性質は全く偶然的なものであり， 相互に関係はないのだろうか？ 部分的法則性は早くから発見されていた D.I.メンデレエフに至ってはじめて，あらゆる元素を単一の体 系に結び付ける一般的な法則の確立がなされた。 元素の周期表 D.I.メンデレエフ元素の体系の基本的な事実： 元素を原子量の増していく順序にならべると類似の性 質をもった元素が周期的にあらわれる。 そして著しい事実 平均的原子量と原子番号とのあいだには簡単な単調 増加の関係がある。 元素の周期表の特徴 ！第1行目はたった2つの元素から成っている．それは 1価の元素の水素で始まり，稀ガスのヘリウムで終る． 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1 H 2 Li Be 8 1 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 He 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 3 Na Mg B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A L A La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 元素の周期表の特徴 ！3番の元素－リチウム－は再び1価である．それは典型的な 金属であり，きわだった塩基性をもっている． ！右の方へ行くにつれてこれら2つの性質は著しく弱くなり，しだ いに反対の性質があらわれてくる． ！最後に9番の元素－弗素－はリチウムと正反対である．それ は典型的な非金属であり，きわだった酸性をもっている． 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 1 ！それから稀ガスのネオンが続く H He 2 Li Be B C N O F Ne 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A 元素の周期表の特徴 ！そのあとにアルカリ金属のナトリウム（11番）がくる． ！そしてすぐ前の周期のすべての様相が繰り返され， ！8つの元素（ナトリウムも含めて）を経て再びアルカリ金属 のカリウムに出会う． ！これの1つ前は稀ガスのアルゴン（18番）である． 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 ！典型的な金属から典型的な非金属への移行は，－珪素（14 1 H He 番）－を経て行なわれる．この元素は金属的および非金属的形態 を呈する． 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A 元素の周期表の特徴 ！その次の，第4の，カリウムで始まる周期は，今度は8つで はなく18の元素で完結する． ！カリウムの次のアルカリ金属－ルビジウム－は37番目の場 所にある． ！ルビジウムのあとには，やはり18の元素から成り，54番， 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 稀ガスのキセノンで終る新たな周期が続く． 1 H He 2 Li Be B C N O F Ne 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A 元素の周期表の特徴 ！その次にまたアルカリ金属のセシウム（55番）がくる。 これは32の元素を含む最も長い周期の始まりをなすものである． ！これらの32の元素の中で，ランタンに続く58番から71番まで 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 の14元素は特殊な組を形作っている． 1！これらの元素は希土類あるいは「ランタニド」とよばれるもの H He 2であって，極めて近い化学的性質をもっている。 Li Be B C N O F Ne ！化学的性質の近縁性のゆえに，それらに対しては周期表の1 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar こまが与えられ，そしてその1組全体が別個にかかげられている． 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 6 Cs Ba 7 Fr Ra L A L A Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 元素の周期表の特徴 ！87番の元素で始まる最後の周期は，不安定な自然放射性元 素から成っている． ！自然界で出会う元素の中で最も重い元素－ウラン（92番）－ 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 は最近まで周期系の最後の元素でもあった． 1！しかし近年，より重い元素－「超ウラン」元素が人工的につく H He 2られるようになった． Li Be B C N O F Ne ！それらの元素の化学的性質の研究と，それらより前の方にあ 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar る諸元素の化学的性質の再検討の結果，希土類金属－「ラタン 4ニド」－の組に類似の，化学的性質の近い元素―「アクチニド」 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5―の組をなす． Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 7 Fr Ra L A A La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 元素の周期表 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A アルカリ金属 1 H 2 Li Be 8 1 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 ハロゲン He 2 3 4 5 11 12 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 55 57 72 73 74 75 76 77 87 88 57 58 59 60 61 62 89 90 91 92 93 94 6 7 8 9 10 B C N O F Ne Al半金属 Si P S Cl Ar 13 14 15 16 17 18 30 31 32 33 34 35 36 47 48 49 50 51 52 53 54 78 79 80 81 82 83 84 85 86 63 64 65 66 67 68 69 70 71 95 96 97 98 99 100 101 102 103 3 Na Mg 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 半導体 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo 遷移金属 Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A 希ガス L La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu アルカリ土類金属 A Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス 元素の周期表 アルカリ金属(alkali metals)： ・第1族元素のうち水素を除いた元素。 ・単体では最外殻s軌道を１電子が占める。 （ s軌道の定員は2） ・イオン化エネルギー小さい。重たい元素ほど小さい。 ・周期が大きいほど金属性強い ・空気中の酸素と激しく反応して酸化物M2Oを形成する。 ・イオン型水素化物ＭＨを形成する。 ・ハロゲン化物を形成する。 元素の周期表 アルカリ土類金属 (alkaline earth metals)： ・周期表の第2族に属する典型元素でのうち、カルシウ ム・ストロンチウム・バリウム・ラジウム ・核電荷が同一周期の1族元素より大きい為、アルカリ金 属よりも原子間の結合が強く、単体の融点はアルカリ金 属よりも高い。 ・1族元素よりもイオン半径が小さい。それ故、2族元素塩 の結晶格子は小さい。 ・結合は強く結びついており、1族元素塩に比べ2族元素 塩の溶解性は小さい 元素の周期表 ハロゲン (halogen): 第17族に属する元素の総称。フッ素・塩素・臭素・ヨウ 素・アスタチンフッ素、塩素、臭素、ヨウ素は性質がよく 似ており、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属と典 型的な塩を形成する。 原子番号が若いものは非常に反応性に富む。 フッ素は第一イオン化エネルギーが大きく、最も強い酸 化剤。 地殻中の存在比ではフッ素>塩素>臭素>ヨウ素 アスタチンは放射性物質であり、半減期短く、自然環境 中にはほとんど存在しない。 ハロゲン化水素HF,HCl,HBr,HIを作る。 HFは水素結合を形成する極性物質 元素の周期表 希ガス (noble gases)： ・長周期表第18族の、ヘリウム・ネオン・アルゴン・クリ プトン・キセノン・ラドン ・原子における最外殻電子が閉殻となっているため、 化学的に非常に不活性。よって不活性ガス (inert gas) とも呼ばれる。 ・ヘリウムを除いて、常圧かつ凝固点以下で弱いファン デルワールス結合による結晶（単原子分子による分子 性結晶）を形成する。 ・化合物は XeF2 、KrF2、XeCl2,不安定→レーザ 元素の周期表資料 電気電子材料元素資料集（エクセルファイル） 講義ノート/2012年電気電子材料コーナーからダウン ロードする 以下の各シートから構成される。 Index 用語集 出典 元素表 グラフ描画ツールシート 電気電子材料元素資料集/用語集 元素の特徴を表す物理量、状態の解説集である。 38個の用語解説がある。 ヤング率 弾性率の一種で、伸び弾性率ともいう。一様な太さの棒の一端を固定し、 多端を軸方向に引く（または押す）場合、棒の断面にはたらく応力をT、単 位長さあたりの伸び（または縮み）をεとすれば、比例限界内でT=Eεとい う関係が成り立つ。このように伸び変形で応力Tとひずみεとの間に比例 関係が成り立つとき、比例定数E=T/εをヤング率という。Pa、N/m2で表示 される。物質特有の定数である。1807年ヤングによって導入された。 ポアソン比 一様な太さの棒の両端に力を加えて引き伸ばす（または押し縮める）と、 横の方向には逆に縮む（または伸びる）。棒の軸方向の単位長さあたり の伸びをα、横方向の単位長さあたりの縮みをβとするとき、σ＝β/αは弾 性の比例限界内で物質特有の定数である。これをポアソン比という。 電気電子材料元素資料集/出典 本資料集作成のために用いた文献を掲載する。 1. 元素大百科事典 監訳者：渡辺 正 朝倉書店 第2刷 ISBN 978-4-254-14078-1 5～52章 他３件 電気電子材料元素資料集/元素表 原子番号１から１１１までの元素のデータを掲載した 天然に存在する同位体と存在比-1 モル熱容量（J・K-1・mol-1）298.15K 天然に存在する同位体と存在比-2 膨張率293K" 宇宙の相対原子数 (Si=106) 熱伝導率（W・m-1・K-1)0℃ 宇宙での質量比 (ppb) 音速度(m･s-1)0℃,1atm 太陽の相対原子数 (Si=106) 屈折率波長589.3nm 原子番号 土壌 電気抵抗(Ω･m)0℃ 単体の性質 臨界温度(K) 単体の価格 (chemicool)$/100g 大気中含量(ppm) 体内存在量 (成人70kg) (g) 臨界磁場(Oe) 荷電子配置 空気中での安定性 禁止帯の幅(eV)0K 原子量 (IUPAC 2009) 水との反応性 電子移動度(10-4m2･V-1･s-1)300K 原子半径 (m) 他の気体との反応性 正孔移動度(10-4m2･V-1･s-1)300K イオン半径 (m)(+) 酸、アルカリ水溶液などとの反応性 圧電率(10-12C･N-1) イオン半径 (m)(-) 酸化物 表面抵抗(Ω)湿度50～60% 共有結合半径 (m) 塩化物 絶縁破壊の強さ(106V･m-1) 電気陰性度 硫化物 磁化率(20℃) 密度 （ｇ/L)（気体0℃) 酸化数 融点 (℃) ヤング率(Pa) 沸点 (℃) ずれ弾性率(Pa) 存在比 (ppm) ポアソン比 地殻 体積弾性率(Pa) 海水 記号 発見年 年 発見者（単離者) 電気電子材料元素資料集/グラフ描画ツール マクロプログラムにより、元素表データ間のグラフ作成 原子番号と原子量 (IUPAC 2009)の比較 原子番号と原子半径 (m)の比較 原子番号と電気陰性度-Pauling-の比較 F O Ｃｌ 原子番号と単体の価格 (chemicool)$/100gの 比較 地殻中の存在比(ppm)と単体の価格 (chemicool)$/100gの比較 原子番号と密度 （ｇ/L)（気体0℃)の比較 ? 原子番号と融点 (℃)の比較 原子番号と沸点 (℃)の比較 融点 (℃)と沸点 (℃)の比較 原子番号と電気抵抗(Ω･m)0℃の比較 原子力発電を勉強しよう ・ウランを燃やし（核分裂をさせる）熱エネルギーを取り出す ・その熱で水を水蒸気化させる ・水蒸気によって蒸気タービンを回して発電する ・蒸気を海水で冷やし再利用する 核分裂反応 ウランの代表的な核分裂反応 中性子 右辺の質量は左辺より軽い →減った質量は光エネルギーとなる。E=mC2 →光は物質に吸収されて熱に代わる。 1gのウラン235から8.2×1010Jのエネルギーが得られる。 問 1gのウラン235の核分裂反応を用いて、何トンの水 を0℃から100℃まで加熱できるか？水の熱容量は 4.2J/gK ２０００トン 原子力発電に使われる材料 しかしウラン235は少ない。 天然ウランに0.72%、 よって原子炉で使用するために濃縮過程を経てウ ラン235濃度を3% - 5%に高める。これを核燃料 という。 核燃料棒の被覆にはジルコニウムが用いられる さまざまな核分裂生成物ができる セシウム133、ヨウ素135、キセノン135、ジルコニ ウム93、セシウム137、テクネチウム99、ストロン チウム90、ヨウ素131、プロメチウム147、サマリウ ム149、ヨウ素129 青は安定、セシウム137は半 減期30.2Ｙ 原子力発電に使われる材料 原子炉：核分裂反応を暴発することなく制御し、 かつ反応を持続させるための装置。 ・中性子エネルギー制御のための減速材 黒鉛、重水、軽水 ・原子炉から熱を取り出す冷却材 炭酸ガスや窒素ガス、重水、軽水 ・軽水炉（加圧水型原子炉 - 沸騰水型原子炉） ・重水炉 福島原発 ・黒鉛炉 ・高速増殖炉 Ｎａ 大変気になる事 発電：タービンを回す蒸気温度と圧力 原子力発電所では約284度、6.8MPa 石炭火力発電所では約600度、25MPa 原子力発電所蒸気が低温度、低圧力の理由： 核燃料棒の被覆に使われているジルコニウム が高温に耐えられないため。 原子力発電における熱効率は約30% ＜火力発電所の熱効率は約47%程度 電子について勉強しよう 電子の発見： 電荷がとびとびの値をとるものだということは，電気分解に関す るファラデーFaradayの法則からの帰結として発見された． ファラデーの法則：いろいろな電解質を通して同じだけの電気量を 流すと，1価のイオンの溶液において分離される物質の質量は，イ オンの原子量に比例する． すなわち，任意の1価のイオンの1グラム原子は，そのイオンが何 であるかにかかわらず，同一の電気量を運ぶ．この電気量はファ ラデー定数とよばれ F=96491 クーロン に等しい． 電子について勉強しよう Helmholtz の言葉 「もしわれわれが元素の原子の存在をみとめ るならば，われわれはもう1つの帰結をもさけることはできない．電 気は正の電気も負の電気も，一定の要素的な量，電気のアトムと して振舞うもの，に分割されている」． 電気の原子論的な本性の認識において，殊に本質的な役割を演 じたのは，気体中の電気の通過の研究であった．なかんづく，稀薄 にされた気体中における放電の研究およびそのさいに生ずる陰極 線の諸性質の研究は，負の電気のアトムが遊離の状態，すなわち 普通の物質原子と結びつかない状態で容易に得られることを示し た．そしてこの負の電気のアトムに対して，電子という名称が広く 使われるようになった． 電子について勉強しよう 2価のイオンの溶液を通して電流を流すと，ファラデー定数だけの 電荷が2価のイオンの1/2グラム原子によって運ばれ，また，3価の 電解質の場合には1/3グラム原子によって運ばれる． 他方，アヴォガドロ Avogadro の法則によれば，任意の物質の1グ ラム原子は，いつでも同じ数 N個の粒子を含むので，1価のイオン のおのおのによって運ばれる電荷は F e N （１） に等しい全くきまった大きさをもつであろう． そして般にk価のイオンの運ぶ電荷は kF ke N （２） となるだろう。 電子について勉強しよう 電子の電荷の決定 電荷がとびとびの値をとることの直接の証明と．個々の粒子の電 荷を見出す方法による電子の電荷の大きさの最初の精密な決定 が，1911年にミリカン Milikan によって行なわれた． ついで光の作用で放出される（光電効果）電子の電荷を，ミリカン の方法と似た方法で決定することが，1912年に A. F. ヨッフェ Joffe によって行なわれた． 電子について勉強しよう ミリカンの実験方法：極めて小さい油の滴の電荷を直接測定 水平におかれた畜電器の両極のあいだにあるそのような小滴を考 えよう． ①畜電器の極板に電圧がかかっていないと，滴は自由に落下する であろう．滴の寸法が小さいために，それは等速で落下する．なぜ なら，それの重さmgは空気の抵抗の力とつりあうからである． 空気の抵抗の力は昨年の物理で学んだストークス Stokes の法則 によると F 6avg （３） に等しい．ここでvgは落下速度，ηは空気の内部摩擦係数，aは滴 の半径である． 電子について勉強しよう mg 6avg 重力との釣り合いとの式 （４） から滴の半径を計算で出すことができる．ここで、滴の物質の密度 をσ，空気の密度をρであらわすとしよう．そうすると，空気中を落下 4 3 m a g 3 （５） 4 3 a ( ) g 6 avg 3 （６） する小球の実効的重さは となるから、力の釣り合いの式は となる。即ち、 1/ 2 1/ 2 vg 3 a 1/ 2 1/ 2 2 ( ) g が得られる。 （７） 電子について勉強しよう ②今度は，畜電器の極板に電位差が与えられ， 電場の作用で滴が上昇するようにその電位差 の大きさと向きがえらばれたとしよう．滴は電荷 Ｑが帯電しているとする。この上昇もまた落下 と同じように等速運動であるが，その速度をvE であらわす. QE mg 6avE -V +Q 0V （８） ここでEは畜電器の内部の電場の強さである．（４）と（８）から 6a Q (vg vE ), E （９） 電子について勉強しよう 直接測定にかからない滴の半径aの代わりに，vgを使ってaをあら わした式（７）を入れて vg1/ 2 3/ 2 Q9 2 (vg vE ) （１０） を得る． 1/ 2 1/ 2 E ( ) g 畜電器の極板のあいだの空気を電離させる（たとえばX線を使っ て）ことにより，滴の電荷を変化させることができる． 電場の強さがもとのままだとすると，滴の速度は変化してv’Eになり vg1/ 2 3/ 2 Q' 9 2 ( vg v ' E ) 1/ 2 1/ 2 E ( ) g が得られる． （１１） 電子について勉強しよう （１１）と（１０）とを組合わせると vg1/ 2 3/ 2 Q Q Q ' 9 2 ( vE v ' E ) 1/ 2 1/ 2 E ( ) g （１２） が見出される．帯電条件を変えつつ多数回の実験を行い、電荷量 の差を測定する。 （１２）によれば，帯電変更のさいの電荷の大きさの変化は，速度 の差vE－vE’ に比例するはずである．もしこの差がある1つの大きさ の整数倍であるならば，電荷の変化は連続的にではなく，有限の 分量ずつ行なわれると断定することができる． 電子について勉強しよう 実際にそうなっていた． 式（１０）は，滴の電荷の絶対値が和 vg＋vE に比例しなくてはなら ないことを示している．もしこの和が，同一の大きさの整数倍であ るならば，それは電荷がつぶつぶな単位から成るものであることを 意味する． 実際にそうなっていた． ミリカンの実験は力学的運動論と電気力学の単純な組み合わせと 慎重な実験手法を駆使することにより、電荷がとびとびの値を取る 原子論の完全かつ直接的な証明を与えた． ミリカンの実験例 帯電変更 帯電変更 落下時間 電荷の単 電場内の 帯電変更 電荷の単 電場内の 前後の上 の単位の と上昇時*位の何倍 上昇時間 の単位の 位の相対 上昇時間 昇時間の 何倍かを 間の逆数 かを示す の逆数 相対値 値 逆数の差 示す数 の和 数 tE (sec) 1 tE 80.708 0.01236 1 1 t E tE 0.09655 0.03234 22.375 n 1 11 1 1 t n t E t E g t E 6 79.600 3 0.005375 +1 0.09673 0.01616 17 0.005348 0.01254 0.005371 -7 0.09138 1 24 0.005358 140.565 0.00719 0.005348 0.005366 +6 0.12887 7 18 0.005390 0.04470 0.03751 n n 1 1 1 n tg tE 18 0.005387 34.785 0.02870 0.11289 *平均tg=11.880，ここでtgは重力場内の落下時間． 0.005374 +3 21 0.005376 レアメタルをちょっと勉強しよう 平成１８年、資源エネルギー庁公開資料より レアメタル：地球上にもともと存在量の少ない金属や、 量は多くても経済的技術的に純粋なものを取り出す ことが難しい金属の総称 レアメタルは３１種類あり（希土類は１種類とカウント する）、他の元素と合金を作ってさまざまな性能機能 を発揮する材料が作られる レアメタル 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1 H 2 Li Be 8 1 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 He 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 3 Na Mg B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A L A La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス レアメタルをちょっと勉強しよう 液晶デジタルTVの表示パネル インジウム 携帯電話、ＥＶ、ＰＣなどの２次電池 リチウム コバルト コバルト ＰＳＰ、ＰＣ、ＤＶＤ内蔵の小型モーター ネオジウム プラチナ 授 業 内 容 回月日 １回4/12 内 容 イントロダクション 教授陣 蓮見 及び周期律表の元素の解説 2回4/19 周期律表の元素の解説 鮫島 3回4/26 誘電体についての解説 飯村 ４回5/10 金属体についての解説 白樫 5回5/17 半導体についての解説 上野 6回5/24 学生の材料調査 鮫島 7回5/31 有機物体についての解説 飯村 授 業 内 容 8回6/7 学生の材料調査 9回6/9（土） 半導体についての解説 10回6/14 11回6/21 磁性体についての解説 学生の材料調査 12回6/28 有機物体についての解説 飯村（鮫島） 鮫島 清水大雅 飯村 飯村 13回7/5 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 14回7/12 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 15回7/19 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 学生諸君材料探査調査 ・１０人程度のＧｐでの調査 ・期間：5月24日～6月30日 ・１Ｇｐ30個の材料調査を目標とする。 ・4年生、修士、博士のチューターがアドバイスする。 ・アドバイザー先生にインタビュー：Gp単位、必ず予約 ・エクセル、ワードファイルを用いてまとめる。 電気電子材料事典 東京農工大学電気電子工学科 ・分量に制限無し 学生諸君材料探査調査 ・主に化合物の調査。 ・応用分野：当該材料が用いられているデバイス。どのよう な作用が利用されているか解説する。図面データ付。 ・構造・特性：構造的特徴、主な重要な諸特性を詳しく分か りやすく解説する。図面データ付。 ・歴史：当該材料がいかにして発見あるいは開発されたか 電気電子材料事典 東京農工大学電気電子工学科 を調査し解説する。 ・先生方の情報：アドバイザー先生にインタビュー。 調査対象材料群 IV半導体、II-VI化合物半導体、III-V化合物半導体 絶縁体（半導体デバイス用（誘電体））,絶縁体（電力用）、 絶縁体（光学デバイス用） 金属、レアメタル、 磁性体、超伝導体 有機物 アドバイザリー教員 須田先生 sudayos： 四族半導体 上野先生 tomoueno： 化合物半導体 白樫先生 shrakash： 鄧 先生 deng: 金属 絶縁体 田中洋先生 tyosuke： 光学材料、絶縁体 清水大先生 h-shmz： 磁性体 蓮見先生 mhasumi： 絶縁体、超伝導体 飯村先生 iimura： 有機物 鮫島先生 tsamesim： レアメタル 学生諸君材料探査調査Gp 学生諸君材料探査調査Gp 学生諸君材料探査調査Gp 学生諸君材料探査調査Gp 授 業 内 容 8回6/7 学生の材料調査 9回6/9（土） 半導体についての解説 10回6/14 11回6/21 磁性体についての解説 学生の材料調査 12回6/28 有機物体についての解説 飯村（鮫島） 鮫島 清水大雅 飯村 飯村 13回7/5 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 14回7/12 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 15回7/19 学生の材料調査結果発表会 飯村・鮫島 半導体について 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1 H 2 Li Be 8 1 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 0 He 半導体 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 3 Na Mg B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba L Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra A L A La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 典型金属元素 半金属元素 非金属元素 遷移金属元素 希ガス 半導体について ・右図のように中性の原子を考えよう。 ・大きなエネルギーを与えて電離させ + よう。負電荷の電子と正電荷のイオン - に分離するだろう。 + ・もし電界がかかっていたら、それぞれ 電界の方向に逆向きに進むだろう。 電子電流とイオン電流が流れるだろう。 E 半導体について ・半導体は固体中で以上のような作用 が起こる物質である。 ・半導体中の電流を担う電荷をキャリヤ という。電子キャリヤとホールキャリヤ がある。 ・光エネルギーで電子とホールを作る ことができる。半導体内部に電界が あれば電流が流れる。これを利用 した素子がソーラーセルである。 + ホール - 電子 E 半導体について ・逆に電子とホールが出会えば光が発 生する。これを利用した素子がＬＥＤ,LD である。 ・電子とホールの濃度を電界によって 変化させて電流の流れを制御する素子 がトランジスタである。 半導体について Gate Vg oxide Vds ・一般に半導体中の電子は早く動く。 ・速度限界は107cm/sである。 n+source ・だから大電流を流すことができる。 z L n+drain ・電流は電気伝導度に比例する。 Depletion region x Inversion channel p-type substrate ・トランジスタは電気伝導度を外部 電界によって変えることができる。 W 0V ・だから電流を流したり止めたりスイッチング できる。 ・スイッチングは論理素子、デジタル回路に応用できる。 y 半導体について ・もちろん大電流制御もできる。 電気自動車にはＩＧＢＴという トランジスタが使われている。 ・電子の移動時間は素子サイズを 小さくすると短くなる ・だから素子サイズを小さくすると高速動作可能。 ・ダウンサイジングが開発されてきた。 半導体について ・現在最小サイズ22nm。 ・100GHz動作トランジスタ素子が できている。 ・良い品質の材料を開発することが大切。 ・適切な構造の素子を開発すること が大切。 ・トランジスタ素子は全ての電気機器 の動作用電子回路に応用されている。 －III-V系発光材料－ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 4 Be ベリリウム 5 B ホウ素 6 C 炭素 7 N 窒素 8 O 酸素 12 Mg マグネシウム 13 Al アルミニウム 14 Si ケイ素 15 P リン 16 S 硫黄 30 Zn 亜鉛 31 Ga ガリウム 32 Ge ゲルマニウム 33 As ヒ素 34 Se セレン 48 Cd カドミニウム 49 In インジウム 50 Sn スズ 51 Sb アンチモン 52 Te テルル 80 Hg 水銀 81 Tl タリウム 82 Pb 鉛 83 Bi ビスマス 84 Po ポロニウム －III-V系発光材料－ バンドエンジニアリング 3 2 0.4 0.6 エネルギー (eV) 1 0.9 1.5 1.2 0.8 Al Ga In N P As Sb 0.8 1.0 1.2 波長 (μm) 1.4 1.6 －半導体レーザの構造と特徴-1－ 半導体レーザは１９６１年に発明された 順方向バイアスV p-n接合ダイオードの順 方向バイアスによる注 入励起 拡散電流により接合領 域の電子濃度＆ホール 濃度増大 － ＋ n型 光 p型 電子 ホール 伝導帯 電子 光 EFn 電子ーホール再結合に よる発光 価電子帯 EFp ホール －半導体レーザの構造と特徴-2－ -高効率励起のためにダブルへテロ構造：n型クラッド層/活性層/p型クラッド層構造 １）ワイドバンドギャップクラッド層：キャリヤ輸送 ２）ナローギャップ活性層：キャリヤ再結合 擬フェルミ準位バンド内→反転分布→高効率再結合 ３）活性層/クラッド層バリヤ：キャリヤの漏れ防止 電子 EFn 活性層 GaInAsP クラッド層 p-InP:Zn ⊿E クラッド層 n-InP:Se hν ⊿E EFp ホール －半導体レーザの構造と特徴-3－ -より高効率励起のためにD(E) 三次元 D E E 量子井戸型活性層 状態密度増大→しきい値低減 クラッド層 EFn 量子井戸型 クラッド層 活性層 二次元 0 E1 E２ E３ E４ エネルギーE EFp －半導体レーザの構造と特徴-4－ 電極 ~150μm 絶縁膜 2~20μm 電流 量子井戸 n-InP,~2μm (クラッド層) 光出力 ~300μm n-InP基板 キャップ層 p+-GaInAsP,0.2μm クラッド層 p-InP~1.5μm 活性層0.1~0.2μm GaInAsP 電極 －半導体レーザの構造と特徴-5－ バンド -光閉じ込め活性層中への光閉じ込め効果： 屈折率小 ワイドバンドギャップクラッド層 屈折率大 ナローギャップ活性層 光強度 屈折率 n-クラッド層 n2 活性層 p-クラッド層 n1 n2 d ~ / 2n －半導体レーザの構造と特徴-6－ -光共振器絶縁膜 2~20μm 電極 キャップ層 クラッド層 活性層 電流 クラッド層 光出力 電極 L 2L m レーザ発振縦モード 問 題ー１ １．光通信用のレーザの 波長は１．３～１．５μmで ある。右図を参考にどのよ うなＩＩＩ－Ｖ材料が用いられ ているか推定せよ。 3 2 エネルギー (eV) 1 0.9 0.8 1.5 1.2 Al Ga In N P As 丁度1.5μmの光を出すた Sb めには共振長Ｌをいくらに するのが良いか？（Ｌ＞ 200μm） 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 波長 (μm) 問 題ー２ Spectral Irradiance [Wm-2nm -1] 1.5 ２．右図は太陽光の 強度スペクトルを光 １個のエネルギーで 1.0 書いたものである。 太陽光強度は赤道直 0.5 2 下で最大0.1W/cm と見積もられる。 00 効率１００％のソーラー 1 2 3 4 5 Energy [eV] セルができたとして、 １０ｋＷの発電をするためにはセル面積が何ｍ２必要か？ 現在広く使用されているソーラーセルはバンドギャップ 1.1eVのシリコンソーラーセルである。シリコンソーラーセ ルの効率限界は約３０％と言われている。原因を考えよ。 発表会及び評価 発表会： 7/5 IV半導体Ｇｐ、ＩＩ－ＶＩ半導体Ｇｐ，金属材料Ｇｐ 7/12 絶縁体（光学デ）Ｇｐ，絶縁体（半導体デ）Ｇｐ 絶縁体（電力用）Ｇｐ 7/19 レアメタルＧｐ，磁性体Ｇｐ，超伝導体Ｇｐ 有機物Ｇｐ 発表会及び評価 発表会： ・Ｇｐ単位で発表すること、 ・発表用パワーポイントビューグラフを作成すること、 ・発表時間１５分程度、 ・質疑5分程度、 ・Ｇｐ内全員が発表すること、 ・出席必須、出席を取る、 発表会及び評価 評価： ・発表会、材料調査資料、チュータレポートにて評価する。 ・材料調査資料はＧｐ単位でＰＤＦファイルにまとめ、 チューターの確認を受けた上で以下の担当教員に メールで提出の事。 [email protected], [email protected] ・チューターは担当学生諸君の調査活動状況状態を 鮫島まで報告すること。 [email protected],