Transcript 物理システム工学科3年次 「物性工学概論」シラバス

物理システム工学科３年次
物性工学概論
第１回講義2005.4.12
火曜１限0035教室
佐藤勝昭
第１回
物性工学入門
• この科目で何を学ぶか。
• 第１回に学ぶこと
– 元素の周期表と分類
– さまざまな材料
第２回に学ぶこと
金属 [1]：金属とは何か
•
•
•
•
•
•
金属に分類される物質にどんなものがあるか。
Ia族 Li, K, Na, Rb, Cs, IIa族 Be, Mg, Sr, Ba
Ib族 Cu, Ag, Au (貴金属), IIb族 Zn, Cd, Hg
IIIb族 Al, Ga, In, Tl, IV族 Pb
半金属・半導体 IIIb: B, IV: C, Si, Ge, Sn, V: P, As, Sb, Bi, At
遷移金属
– 3d遷移金属：Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni
– 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
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
金属は叩くと変形する
第３回に学ぶこと
金属 [2]：金はなぜ金ぴかか
• 金属は、一般に反射率が高く、独特の色を示す。
• 貴金属の和名は色から来ている。
silver
copper
gold
こがね(黄金)
しろがね(銀)
あかがね(銅)
三原色
色を感じる
光を感じる
金属の色
３刺激値
金銀銅の分光反射率
http://www.hk.airnet.ne.jp/shung/periodic_table_s.htm
第４回に学ぶこと
半導体と光[1]： 半導体の色
半導体のバンドギャップと透過光の色
ZnS
CdS
黄
Eg=2.6eV
GaP
橙
Eg=2.2eV
Eg=2eV
HgS
赤
Eg=1.5eV
GaAs
黒
800nm
300nm
4eV
白
透過域
Eg=3.5eV
3.5eV
3eV
2.5eV
2eV
1.5eV
半導体のバンドギャップと絵の具の色
Color of some ban d- gap se mic on du c tors
Mineral
Pigment
Band
name
name
gap
Substance
C
Diamond
ZnO
Zincite
-
Color
5.4 Colorless
HgS
Zinc white
Cadmium
Greenockite
yellow
Cadmium
orange
Cinnabar
Vermillion
HgS
M etacinnabar -
1.6 Black
Si
-
1.1 Black
PbS
Galena
CdS
CdS1-xSex
Mixed crystals of yellow
cadmium sulfide CdS
and black cadmium
selenide CdSe, showing
the intermediate-bandgap colors
(eV)
-
http://webexhibits.org/causesofcolor/10.html
3 Colorless
2.6 Yellow
2.3 Orange
2 Red
0.4 Black
第5回ミニテスト：
金属、半導体の光学的性質
第6回に学ぶこと
半導体と光[2]： 光る半導体
LEDの原理
•
•
•
•
ｐｎ接合を順バイアス
電子は、ｐ層に注入
ホールはｎ層に注入
界面付近で再結合
ｐ型
再結合
-
+
+
+
+
ｎ型
空間電荷層
E
第7回に学ぶこと
光エレクトロニクス [1]:光電変換
街灯の自動点灯
• 夕方になると街灯がひとりでに点灯します
が、光導電素子を使って固体リレーを働
かせ、電灯をオンオフしています
CdS光導電セル
モリリカのHPより
街灯自動点滅器(EEスイッチ） 松下電工のHPより
太陽光発電
•
•
•
•
増え続けるエネルギー消費
増加する民生部門の消費
化石燃料に頼るエネルギー供給
新エネルギー目標値：
太陽光は2010年に500万kWh
光起電力の原理
• ｐｎ接合に光照射
• バンドギャップを超える
光によって電子とホー
ルが生成される
• 空間電荷領域の拡散
電位差によって、電子
はｎ層に拡散、ホール
はｐ層に拡散
ｐ型
-
+
+
+
+
ｎ型
空間電荷層
第8回に学ぶこと
光エレクトロニクス [2]：光ファイバー通信
• 光ファイバー通信はどの
ように行われているか調
べてみよう。
光ファイバー
• 長距離にわたって光が減衰せずにすすむ
• 全反射を用いている。
東工大影山研HPより
www.mitsubishi-cable.co.jp/ kiden/photo/high_cab.jpg
光多重通信(WDM)
•http://www.okioptical.com/html/docs/FiberOptics.html
第9回に学ぶこと
光エレクトロニクス [3]：半導体レーザー
• 光ファイバー通信の光源
となるレーザーについて
調べてみよう。
• LED構造において、劈開面を
用いたキャビティ構造を用い
るとともに、ダブルヘテロ構造
により、光とキャリアを活性層
に閉じ込め、反転分布を作る。
• DFB構造をとることで特定の
波長のみを選択している
レーザー光の特徴
• 光波の発振器または増幅器
• 位相がそろっている
可干渉(coherent)、
指向性(directivity)
単色性(monochromatic)
高エネルギー密度(high density)
超短光パルス(ultra short pulse)
• フォトンのボース凝縮状態：巨視的に現れた量子
状態
第10回に学ぶこと
光エレクトロニクス [4]： 光ディスク、光メモリ
• さまざまな光メモリを調べ
よう。
いろいろな
光ディスク
CD-ROM
•
•
•
•
ポリカーボネート基板：n=1.55
λ=780nm → 基板中の波長λ’=503nm
ピットの深さ:110nm ~ ¼波長
反射光の位相差π：打ち消し
http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html
CD-RW
• 光相変化ディスク
• 結晶とアモルファスの
間の相変化を利用
http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.html
CD-R
• 有機色素を用いた光記録
• 光による熱で色素が分解
• 気体の圧力により加熱され
た基板が変形
• ピットとして働く
第11回に学ぶこと
光エレクトロニクス [5]：ディスプレイ
• さまざまなディスプレイを
調べよう。
ＣＲＴの原理
• 電子銃からの
電子ビームを
１万V位の高
電圧で加速、
シャドウマス
クを通して、
蛍光スクリー
ンの蛍光体を
励起
http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/pdp/3.htm
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
プラズマディスプレイの構造
• PDPの仕組みは、RGB発色す
るように細工した小さな蛍光
灯の集合体といえる。
• つまり、発光素子(小さな蛍光
灯、正確には「放電セル」)が
一つ一つのドットを構成すると
いう仕組み(ドットマトリックス)
になっている。
• そのため放電セルを増やして
つないでいけば、いくらでも大
きなディスプレイがつくれる。
• 放電セルに詰め込まれている
プラズマは自発光し、紫外線
を出している。それが蛍光体
にぶつかると可視光にかわり
私たちの目に入ってくる。
http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/pdp/3.htm
有機エレクトロルミネセンス
• 有機物(高分子または
低分子）の発光層に電
子とホールを注入して、
１重項励起状態に遷移
させる。
• 電子輸送層とホール輸
送層で挟んで、効率的
にキャリアを注入
• 寿命に問題
三洋電機のHPより
光産業技術振興協会のHPより
第12回に学ぶこと
スピンエレクトロニクス[１]：磁性入門
• 磁性体とは何か。調べておこう。
残留磁化
飽和磁化
保磁力
初磁化曲線
初磁化状態
マイナーループ
モーターと磁石
• 直流モーターは、永久磁石の回転子が、固定子という電
磁石の中に置かれています。分割された電磁石に流さ
れる電流を順次切り替え、磁界の回転を生じ、回転子に
運動を与えるのです。固定子のヨークにも磁性体が使わ
れています。
ヒステリシスと磁区
残留磁化状態
逆磁区の発生と成長
第13回に学ぶこと
スピンエレクトロニクス[2]：磁気記録
ハードディスクのトラック密度、面記録密度、
線記録密度の変遷
超常磁性限界
GMRヘッド
MR ヘッド
光磁気記録 (1)情報の記録
• レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 M
• キュリー温度以上になると磁化を消失
• 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録
Tc
温度
Tc
コイル
外部磁界
光磁気記録媒体
光スポット
光磁気記録 (2)ビットの安定性
• 補償温度(Tcomp)の利用 Hc
• アモルファスTbFeCoは
一種のフェリ磁性体なので
補償温度Tcompが存在
• TcompでHc最大:
– 記録磁区安定
Fe,Co
Tb
M
Tb
FeCo
Mtotal
Tcomp Tc T
室温
光アイソレータ
• 光アイソレータの原理を
調べておこう。
第14回 期末テスト：
光エレクトロニクス、スピンエレクトロニクス
の材料
元素の周期表
材料の分類
• 材料の用途：構造材料と機能材料
• 化学的分類：無機材料(金属、非金属）、有機材料
• 電気的分類：超伝導体、金属、半導体、絶縁物
• 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
• 原子分子配列による分類：結晶、非晶質、準結晶、
超格子、液晶