理学部化学科

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固体化学
Solid State Chemistry

担当教員 菅井 俊樹
選択 | 2単位 | 3年春学期

授業目的

現代の化学では孤立分子だけでなく、分子を集合させた場合の性質が、実際に液晶や有機ELなどの電子デバイスの構築など分子特性の活用の面から大きな問題となっている。さらに、様々なナノ物質は、そのサイズが固体と分子の中間であるため、その特性を理解するためには、分子的な視点だけでなく、固体的な理解も不可欠である。以上のようにこの授業では、化学の視点から固体を見た場合の理解を目標に、最新のトピックおよび実験手法についての解説もあわせて行う。幅広い分野をカバーするため、量子化学、電磁気学、物理数学などの基礎も復習をかねて、解説する予定である。

授業内容

始めに固体と分子の違いについて解説し、結晶結合、自由電子気体とエネルギーバンド、金属および半導体、誘電体と磁性体、逆格子空間とフーリエ変換、回折測定、光と固体という基礎に続いて半導体デバイス、液晶およびナノ物質の科学という発展を講義する。また、講義にはある程度の物理的および数学的記述が不可欠のため、その都度復習および解説を交える.
講義はPCを用いておこない,スライドの内容は印刷して配付する。毎回の講義で,その回の講義内容に即した問題演習を行う。
No.1 分子の視点と固体の視点:化学物質の性質は分子に強く依存するため、化学を専門にすると分子の構造さえわかってしまえば、全てがわかると勘違いしがいである。実際に物質が特異な性質を示したり、有用であったりする場合は、分子が集合し、特異な並び方をしている場合が多い。これらについて学ぶ。
No.2 結晶結合:分子の集合形態として最もも理解しやすいものは、規則的に配列した結晶である。この結晶の形態もそれらを構成する分子の種類や結合様式に強く依存する。分子の種類と結晶形態の関連を結晶結合という観点から学ぶ。
No.3 自由電子気体とフェルミエネルギー1:分子が集合した場合、単体の構成要素と集合体の性質が異なり、集合体として最も特徴的なのが、金属である。この金属の性質を支配するものが、自由電子という考え方で有り、これらを数式で記述するやり方を学ぶ。自由電子はその入れ物である金属の形態、特に一次元の線、二次元の面、三次元の立体という、次元に大きく依存する。このとき自由電子は水、金属の形態は容器とたとえられ、その水面の高さに相当するフェルミエネルギーがどのように金属の形態に依存するかを把握する。
No.4 自由電子気体とフェルミエネルギー2:実際の物質群に対し適用し、それらの性質を理解する。天体にも適用できることを学ぶ。
No.5 エネルギーバンド1:No3で自由電子を学んだが、完全に自由な電子というものは存在せず、電子は原子核に強くとらわれている。これ結果として、電子が持つエネルギーにはエネルギーバンドというある制限が存在することになり、それらが集合体としての固体の伝導特性、金属、半導体、絶縁体という特性を大きく左右する。これらについて学ぶ。
No.6 エネルギーバンド2:エネルギーバンドを波動方程式で計算する。
No.7 フーリエ変換:エネルギーバンドを数学的に取り扱う場合、さまざまな周波数を持つ平面波で波動関数を記述することが最も簡便な手法の一つである。この手法は携帯電話などの通信技術に応用され、極めて普遍的なものである。これらについて学び、エネルギーバンドを理解する。
No.8 半導体デバイス1:半導体は社会を支える物質群であり、その特性はNo2~5で取り上げたエネルギーバンドが大きくかかわかっている。これらの応用例として、半導体がどのような特性を持つかを学ぶ。
No.9 半導体デバイス2:半導体の具体的な応用例を学ぶ。
No.10 分子振動と固体の振動、基準振動解析:集団の振動では複雑な運動が起きるが、これらは基準振動解析という考え方で、分解し簡便に扱うことが出来る。三原子分子の場合を取り扱うが、まず全ての原子が同じ質量を持つ等核三原子分子を計算し、次に真ん中や両端の原子質量を変化させた場合を計算する。これらは化学において同じ化学的性質を持つが質量が異なる同位体置換された分子の振動や反応性の違いに対応する。これらについて計算できるようにする。
No.11 固体の振動とヒュッケル近似:集団の振動を取り扱う場合、最も簡便な計算手法が隣り合う原子・分子しか相互作用しないという考え方である。これは相互作用が極めて強く距離に依存する化学現象においても良く当てはまる。この手法を活用して、芳香族炭化水素の量子化学的理解に不可欠であるヒュッケル近似と関連させ、固体に漸近する原子数nを無限大にした場合にも適用できる手法を学ぶ。
No.12 誘電体と磁性体:固体に特有な性質の一つとして、電子分布に偏りがある誘電体と、スピン配列に偏りがある磁性体が存在する。これらとその応用例について学ぶ。
No.13 回折測定:X線測定は化学においても重要であるが、この手法はこの授業で取り扱った集合体の構造、フーリエ変換などを統合して取り扱っている。これらについて学ぶ。
No.14 ナノ物質の科学:ナノ物質は1~1000個程度の個数が特異な構造で配列する物質群で有り、極めて有用な性質を持つ場合が多く、今後の活用が期待されている。これらについて最近の研究例を紹介する。
No.15 学習到達度の確認

関連科目

予め学んでおくとよい科目:物理学Ⅰ 物理学Ⅱ 物理入門 物理学実験 無機化学Ⅱ 物理化学Ⅰ(再履修クラス) 物理化学Ⅱ(再履修クラス) 物理化学Ⅲ 物理化学演習Ⅰ 物理化学演習Ⅱ 物理学Ⅲ
この科目に続く内容の科目:化学輪講Ⅰ・Ⅱ

教科書・参考書

【教科書】
  • 使用しない。電卓必須。
【参考書】
  • 「固体物理の基礎」(アシュクロフト・マーミン(著) , 松原武生 ・ 町田一成 (翻訳)、吉岡書店
  • 「キッテル固体物理学入門(上・下)」(チャールズ キッテル(著)、宇野良清、新関駒二郎、山下次郎、津屋昇、森田章(翻訳)、丸善出版)
  • 「アトキンス物理化学(上・下)」(P.W.アトキンス(著)、千原英昭、中村亘男(翻訳)、東京化学同人)
【参考資料】
  • その都度配布

評価方法

理解の把握と学習の定着のため毎回簡単な演習問題をおこなう。毎回の演習問題50%、および期末定期試験50%の割合により評価する。

オフィスアワー

月~金の12:15~12:50

その他

毎回の授業で演習を行うので電卓を持参のこと。

お問い合わせ先

東邦大学 理学部

〒274-8510
千葉県船橋市三山2-2-1
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【学事課(教務)】
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