物理システム工学科3年次
物性工学概論
第1回講義2003.4.13
火曜1限0023教室
大学院ナノ未来科学研究拠点
量子機能工学分野
佐藤勝昭
第1回 2003.4.13
Introduction
► 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 2003.4.20に学ぶこと
第2章 金属 [1]; 2.1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 2003.4.27に学ぶこと
第2章 金属 [2]; 2.2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)
3原色
色を感じる
光を感じる
XYZ等色曲線と金属の色
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 2003.5.11に学ぶこと
第3章 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 2003.5.25に学ぶこと
第3章 半導体と光[2] 光る半導体
LEDの原理
► pn接合を順バイアス
p型
► 電子は、p層に注入
► ホールはn層に注入
再結合
-
+
+
+
+
n型
空間電荷層
► 界面付近で再結合
E
第6回 2003.6.1に学ぶこと
第4章 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7回 2003.6. 08 ミニテスト:
金属、半導体の光学的性質
第8回 2003.6.15に学ぶこと
第4章 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 2003.6.22に学ぶこと
第4章 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
►
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
なるレーザーについて調べ
てみよう。
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 2003.6.29に学ぶこと
第4章 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 2003.7.6に学ぶこと
第4章 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 2003.7.13に学ぶこと
第5章 スピンエレクトロニクス[1]:5.0 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 2003.7.20に学ぶこと
第5章 スピンエレクトロニクス[2]:5.1 磁気記録,MRAM
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
第14回 2003.7.27(補講)で学ぶこと
第5章 スピンエレクトロニクス[3]:5.3 磁気光学効果
► ファラデー効果の原理を調
べておこう。
ファラデー回転
偏光子
試料
青色LED
差動検出器
磁界
電源
電源
楕円偏光
孔あき電磁石
テスター
A
図2
直線偏光
V
ファラデー効果の測定系配置
図8. ファラデー効果
光磁気媒体
► MOディスクの構造
ポリカーボネート基板
窒化珪素保護膜・
(MOエンハンス
メント膜を兼ねる)
Al反射層
groove
land
樹脂
MO記録膜
(アモルファスTbFeCo)
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
Tc
► 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録
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15回 2003.8.3 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
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