電気伝導度の観点から物質を分類すると、金属・絶縁体・半導体に分けられる。これらの分類は、フェルミ準位の位置を意識することで簡単に分類できる。
この記事では、フェルミ準位の解説をしたあと、これらの分類についてバンドを用いて解説する。
固体物理学
バンドについて―価電子帯・禁制帯・伝導帯とはなにか
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固体物理や半導体の分野では、電子のエネルギー準位ごとの性質を考えるためにバンドという考えを導入する。
この記事では、バンドが何を表し、何に役に立つのかを考える。
ブラッグの反射条件の導出とX線回折の原理について
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ブラッグの反射条件は次の式を指す。
$$λ=2d_{hkl}sinθ$$
d:実空間格子の(hkl)格子面の間隔 λ:光の波長 θ:格子面と入射光のなす角
上の式の(hkl)は、格子面のミラー指数である。
ブラッグの反射条件は、結晶によるX線回折を考えるときに使われる。この記事では、ブラッグ条件がX線回折にどうかかわってくるかや、XRDの仕組みについて書く。
格子面とミラー指数の求め方
固体物理の分野で結晶構造を考察するときは通常、結晶を格子とみなして考える。そしてその結晶格子の最小繰り返し単位のことを、単位格子とよぶ。単位格子は、頂点(格子点)･辺･面といった要素で構成されている。そしてそれらは、それぞれ結晶を構成する原子･原子間距離･格子点に囲まれた面(格子面)に対応している。
特に格子面は、結晶によるX線回折を考えるうえで不可欠な要素となっている。X線回折は結晶の同定に役に立つツールであるため、格子面への理解が重要であることは明らかだろう。
この記事では、結晶格子についてと、格子面の名前であるミラー指数について書く。
pn接合とは―ダイオードの仕組みについて
ダイオードとは、電流を一方向にしか通さないような半導体部品のことである。これにはp型半導体とn型半導体をつないだpn接合というものが使われる。
この記事では、この2種類の半導体の違いを解説した後、pn接合についてバンド図を用いて解説する。さらに、pn接合の応用例としてダイオードの原理を紹介する。
希ガスの性質―なぜヘリウムは絶対零度で固体にならないのか
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絶対零度とは、熱力学における絶対温度Kの最低となる温度のことである。この絶対零度は摂氏-273.15℃である。この温度ではエントロピーとエンタルピーは0となる。
この温度になるとあらゆる物質は凍ると書いてあるものも多いが、実はヘリウムは単純に絶対零度になっただけでは固体にならない。
この記事では、そのようなヘリウムについて考えることで、希ガスの性質について考える。また、ヘリウムには安定した同位体が2種類存在するが、ここでいうヘリウムとは実際により多く存在する質量数4のヘリウムを指す。
参考:エントロピーの定義とは
参考:熱力学第〇法則まとめ
電荷とクーロンの法則
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髪の毛に下敷きをこすって逆立てる遊びを小さいころにした人は多いだろう。この現象が起こる理由は、片方の物体に含まれている電荷がもう片方に移動することで、それぞれの物体が違う種類の電荷によって帯電するからである。
磁化率と残留磁化
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外部磁場が0のときに磁化ベクトルも0になる等方的な物質において、外部磁場が小さいとき、磁化ベクトル\(\bf M\)は外部磁場\({\bf H}_{ex}\)に比例する。この比例定数を磁化率\(χ_m\)という。
$${\bf M}=χ_m{\bf H}_{ex}･･･(1)$$
この磁化率が正の場合は常磁性体か強磁性体、負の場合は反磁性体を表す。
古典的・量子力学的に考える磁化
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量子力学が提唱されるはるか昔に、アンペールは、古典的な視点から磁化を説明した。それによると、磁化は分子電流によって発生するものとされている。ところが量子力学誕生後、磁化は電子のスピン(自転)などによるものであることが分かってきた。この記事では、磁化を古典的・量子的の両方の視点から見てみる。