材料科学

Materials Science

991553C

15PHCMP305

宮川　宣明

Nobuaki MIYAKAWA

2024年度前期

2024/First semester

金曜2限

Friday, 2nd period

理学部第一部　応用物理学科

Department of Applied Physics, Faculty of Science Division Ⅰ

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

【概要】
我々が日常接する材料はまさに多種多様である。基礎物理学、および固体物理、電子素子物理などの素養を踏まえて、材料という広く現実的な分野を研究するための基本を身につける。

【目的】
今までに身につけてきた基礎物理学の知識をベースに、多種多様な材料の性質を理解するための基礎を身に着ける事を目的とする。
本講義は、本学科のディプロマポリシーに定める「物理学およびその応用分野を含めた科学についての十分な基礎学力と高度な専門的知識を身につけた人材」を実現するための科目です。

【到達目標】
材料の原子的な構造、電子配置、分子軌道法、物質の結晶場の影響、材料をつくるという立場で、熱力学的な平衡に基づく状態図の学習から、各種材料の基本的な諸性質について理解できるようになる。

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

この講義は、反転講義となるので、講義日までに予習として映像を視聴してから、講義を受けること。講義の進め方は、ガイダンスをしっかりと聞くこと。

小テストの実施　Quiz type test／反転授業　Flipped classroom

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準備学習（2時間/回）
LETUSにUPされる講義映像資料を事前に視聴しておくこと。
復習（2時間/回）
各回の講義内容を十分に復習し、課題や小テストを行う。

予習の映像を視聴していることおよび2/3以上の出席を前提にして
•平常点（講義への積極的参加、小テストなど）：40-70%
•課題レポート、中間到達度確認、期末到達度確認など：30-60%

課題レポートの回数、難易度などにより上記範囲で調整。
小テストはwebで行うスタイルで、指定日時までに受けること。

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

物理化学—分子論的アプローチ〈上〉〈下〉 D.A. マッカーリ　東京化学同人
近角聰信著、「物性科学入門」裳華房
金属電子論〈上〉〈下〉 (材料学シリーズ)　水谷 宇一郎　内田老鶴圃
固体の電子構造と化学　P.A. Cox 技報堂出版
津田、那須、藤森、白鳥共著、「電気伝導性酸化物」裳華房
ウエスト固体化学入門　アンソニー．R・ウエスト著（訳　後藤　孝、君塚昇　他）　（講談社）
Ｃ.Ｒ.バレット、Ｗ.Ｄ.ニックス、Ａ.Ｓ.テテルマン共著 井形・堂山・岡村共訳「材料科学I」（培風館発行）
丹羽雅昭著「超伝導の基礎」東京電機大学出版
小池洋二著　超伝導　内田老鶴圃
内田慎一著「固体の電子輸送現象—半導体から高温超伝導体まで そして光学的性質 (物質・材料テキストシリーズ) 」内田老鶴圃

１-2．ガイダンスおよび量子力学の復習（水素様原子）（多電子原子を扱うための準備：量子力学の復習をしておくように）

電子の状態を決める量子数（主量子数、方位量子数、磁気量子数、スピン量子数）
軌道の形
動径分布関数
球面調和関数
遮蔽と浸透（貫入）


3-5．多電子原子
多電子原子における縮退のとけ方、電子の配置を理解できるようになる。
電子の詰まり方のルール（遷移金属などでの妙な電子の詰まり方も説明できるようになる）
マーデルング則
パウリの原理
フントの規則
スレータの規則
多重項（Russel-Saunders項記号）と有効核電荷
角運動量の合成
多重項分裂（電子間相互作用・スピン軌道相互作用）
多電子系の基底状態、励起状態の項記号を求めることができるようになる。
マーデルング則に反して電子配置される遷移金属元素の例を理解できるようになる
ランタノイドの電子配置と特徴を理解できるようになる
ｄ電子とｆ電子の特徴と電子配置の例外が生じる理由

6　周期表より読み取れる元素の性質
不完全遮蔽の蓄積効果、不活性電子対効果、バレンススキッピング現象
3d遷移金属およびランタノイドにおける様々な角運動量の電子数による変化を理解できるようになる
各元素の価電子の原子軌道エネルギー
イオン化エネルギー、電気親和力、電気陰性度（イオン結合・共有結合）
　　
7-8．分子軌道法と原子価結合法及び固体原子の結合
分子軌道法を理解できるようになり、原子間の結合を理解できるようになる。
（クーロン積分、交換積分、重なり積分）
原子軌道==>分子軌道==>バンドへ
例：水素分子
原子価結合法
分子軌道法
結合性軌道ー反結合性軌道
共有結合
イオン結合

9　同核2原子分子と異核二原子分子
以下の学習により、H2分子はできるがHe2分子はできないことなどが説明できるようになる。また酸素分子の常磁性を説明できるようになる。さらに様々な結合について理解できるようになる
σ結合、π結合、δ結合
結合次数
結合エネルギー
混成軌道


１０．結晶場の効果と配位子場理論
マリケンの記号
結晶場分裂の重心則
配位子場安定化エネルギー
様々な構造での結晶場分裂
配位子群軌道
遷移金属酸化物における結晶場分裂を理解できるようになる
結晶場分裂の重心則
多電子状態（強い結晶場と弱い結晶場）high-spin状態とlow-spin状態
　　

11-12　　状態図 および結晶成長技術
ギブスの相律
原子対モデル（固溶合金・析出合金） 　　
状態図を理解できるようになる。
天秤の法則
2元系平衡状態図（4つの基本型）
１．全率固溶型状態図
２．共晶型状態図
３．包晶型状態図
４．2液相分離型（偏晶型）状態図
溶融性状
三角相図
色々な結晶成長技術を知ることができるようになる。

13-14　電気伝導と超伝導 　　
金属、半導体、半金属の電気伝導を理解できるようになる。
超伝導の基本的性質を現象論より理解できるようになる。
2流体モデル
ロンドン方程式
ピパード方程式
GL方程式
BSC理論のイメージ
熱電材料

15　　達成度評価 本科目の授業内容に関する到達度の確認と解説を行う。

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LETUSを利用するので必ず見ること

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