Transcript 共有結合性結晶

セラミックス
第３回目
4月 30日（水）
担当教員：永山 勝久
3.セラミックスの構造
単結晶体と多結晶体について
図：セラミックスの単結晶と多結晶の構造概念図
（通常の材料の単結晶と多結晶構造）
（ａ）単結晶体・・・結晶中の原子配列が連続で、一つの面方位のみ有する結晶
(ex.半導体Si)
（ｂ）多結晶体・・・種々の大きさの結晶粒の集合体で、結晶粒同士の結合界面には
結晶粒界(非整合部分)が形成される(:通常の材料)
多結晶体・・・種々の大きさの結晶の集合体で、結晶粒同士の結合界面には
結晶粒界が形成される
結晶粒界は異なった方位を有する結晶の結合部分(非整合部)であるため、
非整合界面に起因する格子欠陥や格子ひずみなどが発生し、かつ不純物が
偏析する
多結晶体の一般的組織構造
(粒界、粒内）
：①気孔（pore）が存在する
②不純物を構成主元素とした
ガラス相の形成（:焼結部分液相化）
③冷却時に形成された微小亀裂
（凝固収縮に伴う結晶粒の異
方性により生じる微小割れ）
多結晶体中の構造欠陥（:結晶粒界，
気孔，微小亀裂，ガラス相）
↓
強度特性を劣化させるため、高強度
図： 多結晶体の微細構造
セラミックス材料では気孔を減少さ
せ、結晶粒を微細化させる
『単結晶体の代表材料』
半導体Si [ 図1 参照 ]
Si・・・精製による高純度化→電気抵抗の増加
99.999%：100kΩ ( 絶縁体 )
半導体Si ： 0.01% ( 1万分の1，100ppm ) の不純物ドープにより，
電気抵抗が1Ω以下 ( 10万分の1以下に低下 )
・・・不純物ドープ：p型：3価元素添加 ( Bなど ) 電子が1個 不足
n型：5価元素添加 ( Pなど ) 電子が1個 過剰
(a) アクセプタとホール
(b) ドナーと電子
図1 不純物半導体のホールと電子
単結晶Si の作製 ( m.p. = 1412℃ )
通常冷却・・・融点以上からの徐冷→多結晶Si
単結晶Si・・・単結晶を溶融部に接触させ，融体から徐々に引下げる [ CZ法 ]
(工業的には直径300mmの単結晶が生産可能)
多結晶体・・・
結晶粒 ( grain ) : 粒内の原子配列は一定 ( 整合 )
結晶粒界 ( grain boundary ) : 原子の配列が不整合 ( エネルギーの高い状態 )
粒界・・・電子の運動を妨害する ( 易動度，mobilityが低下 )
半導体・・・ドープした微量元素が粒界に集中し，粒内での効果が発生しないため単結晶化する
※ 単結晶製造法［ＣＺ法：チョクラルスキ－（Czochralski）法］
単結晶の種子結晶を高周波溶解や抵抗加熱法によって加熱・溶融し、
下部に設置された溶融体と接触し、上部に引上げ種子結晶と同じ方位
を有する単結晶を成長させる
・・・半導体Ｓｉ製造用装置（~10インチ・ウエハ－作製用←大口径化）
固体Si-融液Siの接触界面における結晶成長（Crystal Growth）
図 ＣＺ法で作製したＢｉ12ＳｉＯ20単結晶
図 単結晶製造装置（チョクラルスキ－法）
半導体物質 ← (共有結合性物質の代表)
◎半導体の推移
・最初のトランジスタ ; Ge (Ⅳ族元素) ： Ge4+
共有結合性結晶
・現在の半導体 ; Si (Ⅳ族元素) ： Si4+
・今後の半導体 ; GaAs，InP (化合物)
(Ⅲ‐Ⅴ族化合物)
Ga，In ・・・ 3族元素
As，P ・・・ 5族元素
平均の原子価 ： 4価 ⇒ Ge，Siと同様
=
GaAs，InP ・・・ 立方硫化亜鉛構造 ＜4面体構造を4つ有する＞
(四面体構造を構成要素にもつ，立方晶型結晶)
(InSb)
ダイヤモンド結晶に類似
共有結合性結晶
四面体構造 が構成要素
“4配位構造”
図6 立方硫化亜鉛構造
( ：Ⅲ族原子位置， ：Ⅴ族原子位置)
(・・・Ga，In)
(・・・As，P)
4.イオン結合と共有結合
セラミックスの結合様式
[定義]
（１）イオン結合・・・ 陰イオンと陽イオン間での静電気力（ク－ロン力），すなわち
正と負の電荷が電気的引力によって生じる結合様式
（２）共有結合 ・・・ 隣接原子が互いに電子を出し合って安定スピン結合
状態 (↑↓) を形成し、それを共有することによって生じる
結合様式［：配位結合（隣接原子間での最外核電子の
交換結合･･･半導体Siの結合様式］
イオン結合性結晶・・・酸化物系セラミックス
共有結合性結晶 ・・・非酸化物系セラミックス
(半金属-非金属：Si3N4、SiC、BN 金属-非金属：AlN、TiC、TiB2など）
共有結合力＞イオン結合力
∴共有結合性結晶は焼結性が困難（粒同士の反応性に欠ける）で、通焼結性向上を
目的として焼結助剤を添加したり、あるいは高圧力下での焼結法（ホットプレス,HIP法
など)が行われている