| FUJIHARA LABORATORY |
| マテリアルのおはなし |
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化学は物質を分子・原子レベルで扱う学問ですが，さらに電子を扱うには，結晶，すなわち固体がその役割を果たします。固体の中での電子の挙動がそのまま，その固体の性質を決めるのです。
マテリアル研究のおもしろさは，電子を自在に操る楽しさから始まります。
そして，そこから「機能」が生まれます。 |
| マテリアル物性その１：超伝導体（２１世紀の夢？） |
水銀を冷やすと，４．２Ｋ付近で電気抵抗がゼロになることがオランダのKamerlingh
Onnesによって発見されたのは１９１１年のことです。それ以来，金属や合金を中心に，超伝導現象が観察されました。１９８６年になって，酸化物固体がそれまで知られていたどの超伝導体よりも高い超伝導転移温度（Ｔｃ）を持つことがＩＢＭチューリヒ研究所のBednorzとMullerによって見出され，世界中で注目を集めました。高温超伝導の時代の幕開けです。彼らが発見した超伝導体の化学組成は（これは後になって分かったのですが），
高温超伝導体は，まだまだ我々の身近にあるというわけにはいきませんが，超伝導コイルによるエネルギー貯蔵，磁気浮上，ジョセフソン効果を利用した超伝導デバイスなどが実用化に向けて着実に研究が進められています。これらの多くはエネルギーや環境問題とも密接に結びついています。ロスのない電力輸送は地下埋設超伝導ケーブルにより可能となり、超伝導変圧器は，絶縁油よりも性能の高い液体窒素の利用が有効です。現代社会はシリコンテクノロジーを基本とするコンピュータ社会ですが，高集積化により，電力消費も膨大なものとなります。この消費の最大の原因が発熱による電力損失ですが，シリコンデバイスの発熱密度は，太陽の発熱密度に近づきつつあります。超伝導デバイスはこれを３桁ほど低下させることができます。今世紀に超伝導社会が到来するかどうかは，これからの研究にかかっています。
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| マテリアル物性その２：半導体（なんでもセンシング） |
半導体というと，普通はシリコンを思い出すでしょう。しかし，半導体というのは，エネルギーバンドにおいて，電子が詰まったバンド（価電子帯）と電子が詰まっていない空のバンド（伝導帯）の間にある程度のギャップを持つ固体すべてのことを言います。もちろん，酸化物にも半導体があります。ギャップができる原因も，やはり化学結合の様式です。代表的な酸化物半導体は，
さて，半導体の電気伝導度は一般に温度の上昇とともに増加します。熱により電子が価電子帯から伝導帯に励起され電荷担体の数が増えるからです。これは、酸化物半導体を温度センサとして用いることができることを意味します。さらに、その感温性は、酸化物半導体に種々の添加物（これも酸化物です）を加えることによって制御されます。例えば、NiOにLi2O（酸化リチウム）を添加して、電気伝導度の温度依存性を変化させたりします。そして，ただ単に温度を測るということだけでなく，温度の変化を感知して，電気の流れを制御したりもできます。
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| マテリアル物性その３：イオン伝導体（燃料電池は次世代エネルギー） |
最初の二つは，電子や正孔が電荷担体となっていましたが，今度はイオンです。食塩水に電気が流れることは，Na+イオンとCl-イオンとが電荷担体になっていることはよくご存じでしょう。実は，固体にもこのようなイオン伝導を示すものがあり，固体電解質と呼ばれています。固体では，水溶液ほど自由にイオンは動くことはできませんが，固体だからこそ，「形のある材料」として有効なのです。陽イオンも陰イオンも電荷担体になり得ます。前者の代表例は，Na+，Li+やAg+イオン，後者の代表例は，O2-やF-イオンです。イオン伝導体では，電子は動きません。これは，電子が動かないようなエネルギーバンド構造になっているからです。これに対して，電子伝導性とイオン伝導性の両方を併せ持つWO3（酸化タングステン）などのような固体もあり，電気化学素子として使われます。
さて、燃料電池は，固体電解質の両端に電極を付け，負極に水素，正極に酸素あるいは空気を導入し，正極で発生するO2-イオンが固体電解質の中を移動して負極で水素と反応し水になるというものです。ZrO2は高温（１０００℃）で作動する燃料電池の固体電解質として用いられます。燃料電池はエネルギー効率が高く（ZrO2系燃料電池の発電効率は５０〜６０％），排ガスが水だけであるという非常にクリーンなエネルギーですので，将来の電力供給源として期待されています。ちなみに，自動車用に開発が進められている燃料電池は水素あるいはメタノールを燃料とする固体高分子型と呼ばれるもので，フッ素樹脂系高分子イオン交換膜が電解質として使われます。
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| マテリアル物性その４：誘電体（携帯電話はこうして小さくなった） |
ここでは，電気を通さない固体の話です。これは誘電体とも絶縁体とも呼ばれます。電気を通さない理由は，半導体のところで述べた価電子帯と伝導帯とのギャップが大きすぎ，熱エネルギーでは電子が励起されないからです。このような固体に電界をかけると，「分極」が起こります。分極には次の４つの種類があります。
携帯電話やＰＨＳといった移動体通信は，準マイクロ波（８００ＭＨｚ〜１．９ＧＨｚ）という高い周波数で使われます。（ちなみに，テレビ放送のＶＨＦの周波数は数１０〜数１００ＭＨｚ。）高い周波数の中から特定の信号を取りだすことによって通信が可能となるわけですが，具体的には共振器を組み合わせたフィルタが用いられます。電波のほぼ半波長と共振器のサイズが同程度になるときに共振が起こりますが，準マイクロ波の波長は数１０ｃｍです。空洞共振器ではこの程度の大きさの共振器が必要になりますが，誘電体共振器を使うと，誘電体中での電波の波長は誘電率の１／２乗に反比例するので，サイズも小さくできます。それでも，自動車電話が登場した当初は，共振器の体積は数１０ｃｍ３もありました。が，今，みなさんが使われている携帯電話の共振器は１ｃｍ３程度です。これは，高い誘電率をもつ酸化物材料が開発されたおかげなのです。移動体通信技術の発展は，固体材料の発展にもよるのです。
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| マテリアル物性その５：圧電体（インクジェットカラープリンタの心臓部） |
誘電体の中で，特に，結晶構造の対称性が悪いものに圧電体があります。圧電体に機械的な力が加わると分極が生じ，その両端面に正と負の電荷が現れます。逆に，圧電体に電界をかけて分極を生じさせると，機械的な歪みが現れます。すなわち，圧電体は「機械的エネルギー⇔電気的エネルギー」の相互変換を可能にする固体材料なのです。代表的な物質は，
音は振動ですから，圧電体に機械的な力として伝わります。これが電気信号に変わります。逆も同様で，電気を音に変えることができます。電話，スピーカー，ブザー，どれも毎日お世話になっていますね。特に，携帯電話の小型化には，圧電体材料を用いた送受話器の小型化も寄与しています。
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| マテリアル物性その６：レーザー（宝石＝レーザー？） |
ダイアモンド，ルビー，サファイア，・・・。天然に産出する「宝石」は数多くあります。ダイアモンドは炭素のみからできていますが，その他の宝石の多くは酸化物結晶です。その中にはクロムやマンガンなどの遷移金属イオンが微量含まれており，それらがきれいな色を出しています。さて，ミャンマー産が最高級で，紅玉とも呼ばれる「ルビー」は，酸化アルミニウムの一種で，化学式で表すと，
レーザーとは，Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation（誘導放出による光の増幅）の頭文字をとって名付けられたもので，一口にいうと，指向性が高く（まっすぐ進む），干渉性がよく，単色の光です。地上から月に向けてレーザーを照射したとすると，進行距離は約３８万Kmですが，直径約３ｋｍにしか広がりません。懐中電灯の光の広がりとは比べものになりません。
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| マテリアル物性その７：蛍光体（蛍光灯＝プラズマディスプレイ？） |
| ある物質に入力されたエネルギーが光として放出される現象を一般にルミネセンスといいます。上で述べたルビーの例は，入力されるエネルギーが光なので「フォトルミネセンス」です。電子線の場合は「カソードルミネセンス」，電場の場合は「エレクトロルミネセンス」，などといいます。そして，このような現象を示す物質のことを蛍光体と呼びます。
テレビに使われているのは，それぞれ青，緑，赤の光を出す３種類の蛍光体です。ブラウン管方式のテレビでは，電子銃から18〜27kVのエネルギーをもつ電子線を発射し，これを蛍光体にあてて発光させます。実際の蛍光体材料は次のようなものです。
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| マテリアル物性その８：ニューガラス（機能をもったガラス） |
| 我々が日常的に目にするガラスは，おそらく窓ガラスとガラス食器でしょう。テレビのブラウン管もガラスです。これらのガラスは，透明で，成型性がよく，着色が容易などといった特長があり，それらがガラス工業の発展をもたらしてきました。もちろん，装飾品や美術品としても重宝され，ベネチアンガラスなど，世界的に有名なガラス工芸品も数多くあります。
以上のような使われ方をするガラスは「伝統ガラス」といわれ，その歴史の始まりは紀元前です。これに対して，最近「ニューガラス」というガラスに関する研究開発が盛んに行われています。ニューガラスの命は，形や綺麗さではなく，「機能」にあります。レーザー発振，光メモリー，光フィルタなどの光機能，光伝導，イオン伝導，エレクトロクロミックなどの電気機能，人工骨や人工歯などの生体機能などがその例です。 シリカ系光ファイバーもニューガラスの一種です。シリカというのは，
光ファイバー中の損失の原因となるのは鉄やニッケルなどの遷移金属元素と水分（-ＯＨ基）です。シリカガラス系ファイバーではこれらの不純物をppbオーダーまで少なくして，1km進んでも95％以上の光が伝わる低損失化がはかられています。さらに理論的に損失の低いガラスファイバーとしては，
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