Transcript セラミックス講義04回目 5月11日(火)スライド(pptファイル)

セラミックス
第4回目
5月 11日（火）
担当教員：永山 勝久
『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
国際宇宙ステーション
きぼう利用 日本実施テーマ
「Containerless Crystallization of
Silicon in Microgravity の新推進体制」
テーマ提案者：永山勝久、栗林 一彦 (日本、芝浦工大)
共同研究者：Dieter M.Herlach (ドイツ航空宇宙局：DLR)
本学初の国際特許：ＰＣＴ
自由落下部3ｍのショートドロップチューブを用いた
次世代高効率太陽電池用球状単結晶Si生成
国際特許出願番号：PUT/JP2008/073948
国際特許出願日：2008年12月25日
(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）
物質創製科学
現状の材料のプロセスと既存核生成機構
○ 材料（物質）の製造（現状の材料プロセス）
（ex. 金属合金，半導体，無機，有機（含 医薬品）材料）
結晶成長（Crystal Growth）
気相プロセス（ex. 半導体，薄膜材料など）
液相プロセス（ex. 単結晶材料のMelt Growth）
固相プロセス（ex. メカニカルアロイング，粉末焼結）
核生成（Nucleation）
※ 全ての材料の結晶成長の前駆段階としての
統一的現象および理論
（固相法の場合は，界面 growth が支配）
既存・核生成理論（核生成機構）
1. 均一核生成（Homogeneous Necleation）
・・・理想状態下で生じる本来の核生成現象
2. 不均一核生成（Heterogeneous Necleation）
・・・通常の材料製造・作製時における核生成現象
（ex. 基板上への薄膜作製，液相からの結晶作製（←溶融・凝固）
※ 核生成理論の推移
1926年：Volmer, Weber （Z. Phys. Chem, 119 （1926） 277.
1950年：D. Turnbull （J. Chem. Phys., 18 （1950）198.
既存核生成理論
核生成に対 表面自由エ
する駆動力 ネルギー項
体積自由エ
ネルギー項
均一核生成 ・・・
不均一核生成・・・
ΔG（T, r）
r
σLS
ΔGv
θ
： 核生成に伴う系の自由エネルギー変化
： 核の半径
： 固－液間における界面エネルギー
： 温度 T における単位面積当たりの固液間における
自由エネルギーの差
： 異種固相上に形成された凝固相（結晶化する液相）
のなす角・・・異種固相（不均一核生成サイト）と液相
（核生成する凝固相）との接触角（濡れ角）
θ： 異種固相上に形成された凝固相（結晶化する液相）のなす角
・・・異種固相（不均一核生成サイト）と液相（核生成する凝固相）
との接触角（濡れ角）
異種固相に対してθ≒ 180°ならば，均一核生成として扱える．
既存「核生成理論」（Nucleation Theory）
均一核生成，不均一核生成ともに；
安定（平衡）結晶の成長のみを仮定した統一的理論
21世紀の材料科学（物質科学：Materials Science）
における新たな展開
1. 従来の安定平衡物質（製造，材料物性）の延長でよいか？
2. 既存概念にない新たな構造と物性を発現する．
⇒ 新物質創製（≡非平衡相，非平衡物質）の探索
既存核生成理論に変わる
新たな『非平衡相の核生成理論』構築の必要性