授業の目的 【日本語】
Goals of the Course(JPN) | | 電気伝導性、誘電性、磁性、等様々の物理特性を有する機能材料は、触媒、センサー、エネルギー変換等様々の分野で用いられており、現代情報化社会の根幹を支える重要な存在である。機能材料の電気・光学・磁気的性質は、物質を構成している原子や分子の並び方や電子の振る舞いなどの微視的な性質、即ち量子論に基づいて理解できる。例えば、現代社会を支えるエレクトロニクスにおいて最も重要な半導体材料の特徴は大きく分けて二つある。一つは材料中の電子伝導を制御することが可能であること、もう一つは光エネルギーと電子のエネルギーの変換により光吸収や発光現象を示すことである。これらを利用したのが、ダイオードやトランジスタ、太陽電池、発光ダイオードなどである。本講義では、量子論を基礎とした電子の挙動に関する知見を元に、代表的機能材料である誘電材料、光学材料、熱電材料、磁性材料、超伝導材料などの基本物性と、これら機能材料に関わるプロセス手法や科学技術について理解することを目的とする。
この授業では、受講者が授業終了時に、以下の知識・能力を身につけていることを目標とする。
１．固体における光吸収・反射などの起源を理解し、説明できる。
２．固体の磁気的性質の起源について理解し、説明できる。
３．半導体のバンド構造・ドーピングについて理解し、説明できる。
４．pn接合についてその仕組みを理解し、説明できる。
５．太陽電池・発光ダイオードなどの半導体デバイスの動作原理について理解し、説明できる。
６．無機系固体材料(セラミックス)に関するプロセス手法、組織形成、機能特性に関して説明できる。
７．超伝導の物理的起源と超伝導材料特性について理解し、説明できる。 |
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授業の目的 【英語】
Goals of the Course | | Functional materials, which possess various physical properties such as electrical conductivity, dielectric properties, and magnetic properties, are used in a wide range of fields—including catalysis, sensors, and energy conversion—and play a vital role in underpinning the modern information society. The electrical, optical, and magnetic properties of functional materials can be understood based on quantum theory, which describes microscopic properties such as the arrangement of atoms and molecules that make up the material and the behavior of electrons. For example, semiconductor materials—which are of paramount importance in the electronics that underpin modern society—can be broadly characterized by two key features. The first is the ability to control electron conduction within the material; the second is the ability to exhibit light absorption and light emission phenomena through the conversion of light energy into electronic energy. Devices such as diodes, transistors, solar cells, and light-emitting diodes (LEDs) utilize these properties. This course aims to provide an understanding of the fundamental physical properties of representative functional materials—such as dielectric materials, optical materials, thermoelectric materials, magnetic materials, and superconducting materials—as well as the process techniques and scientific and technological aspects related to these materials, based on insights into the behavior of electrons derived from quantum theory.
The goal of this course is for students to acquire the following knowledge and skills by the end of the course.
1. Understand and explain the origins of phenomena such as light absorption and reflection in solids.
2. Understand and explain the origins of the magnetic properties of solids.
3. Understand and explain the band structure and doping of semiconductors.
4. Understand and explain the mechanism of p-n junctions.
5. Understand and explain the operating principles of semiconductor devices such as solar cells and light-emitting diodes (LEDs).
6. Explain the processing methods, microstructure formation, and functional properties of inorganic solid materials (ceramics).
7. Understand and explain the physical origins of superconductivity and the properties of superconducting materials. |
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到達目標 【日本語】
Objectives of the Course(JPN)) | | 電気伝導性、誘電性、磁性、等様々の物理特性を有する機能材料は、触媒、センサー、エネルギー変換等様々の分野で用いられており、現代情報化社会の根幹を支える重要な存在である。機能材料の電気・光学・磁気的性質は、物質を構成している原子や分子の並び方や電子の振る舞いなどの微視的な性質、即ち量子論に基づいて理解できる。例えば、現代社会を支えるエレクトロニクスにおいて最も重要な半導体材料の特徴は大きく分けて二つある。一つは材料中の電子伝導を制御することが可能であること、もう一つは光エネルギーと電子のエネルギーの変換により光吸収や発光現象を示すことである。これらを利用したのが、ダイオードやトランジスタ、太陽電池、発光ダイオードなどである。本講義では、量子論を基礎とした電子の挙動に関する知見を元に、代表的機能材料である誘電材料、光学材料、熱電材料、磁性材料、超伝導材料などの基本物性と、これら機能材料に関わるプロセス手法や科学技術について理解することを目的とする。
この授業では、受講者が授業終了時に、以下の知識・能力を身につけていることを目標とする。
１．固体における光吸収・反射などの起源を理解し、説明できる。
２．固体の磁気的性質の起源について理解し、説明できる。
３．半導体のバンド構造・ドーピングについて理解し、説明できる。
４．pn接合についてその仕組みを理解し、説明できる。
５．太陽電池・発光ダイオードなどの半導体デバイスの動作原理について理解し、説明できる。
６．無機系固体材料(セラミックス)に関するプロセス手法、組織形成、機能特性に関して説明できる。
７．超伝導の物理的起源と超伝導材料特性について理解し、説明できる。 |
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到達目標 【英語】
Objectives of the Course | | Functional materials, which possess various physical properties such as electrical conductivity, dielectric properties, and magnetic properties, are used in a wide range of fields—including catalysis, sensors, and energy conversion—and play a vital role in underpinning the modern information society. The electrical, optical, and magnetic properties of functional materials can be understood based on quantum theory, which describes microscopic properties such as the arrangement of atoms and molecules that make up the material and the behavior of electrons. For example, semiconductor materials—which are of paramount importance in the electronics that underpin modern society—can be broadly characterized by two key features. The first is the ability to control electron conduction within the material; the second is the ability to exhibit light absorption and light emission phenomena through the conversion of light energy into electronic energy. Devices such as diodes, transistors, solar cells, and light-emitting diodes (LEDs) utilize these properties. This course aims to provide an understanding of the fundamental physical properties of representative functional materials—such as dielectric materials, optical materials, thermoelectric materials, magnetic materials, and superconducting materials—as well as the process techniques and scientific and technological aspects related to these materials, based on insights into the behavior of electrons derived from quantum theory.
The goal of this course is for students to acquire the following knowledge and skills by the end of the course.
1. Understand and explain the origins of phenomena such as light absorption and reflection in solids.
2. Understand and explain the origins of the magnetic properties of solids.
3. Understand and explain the band structure and doping of semiconductors.
4. Understand and explain the mechanism of p-n junctions.
5. Understand and explain the operating principles of semiconductor devices such as solar cells and light-emitting diodes (LEDs).
6. Explain the processing methods, microstructure formation, and functional properties of inorganic solid materials (ceramics).
7. Understand and explain the physical origins of superconductivity and the properties of superconducting materials. |
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バックグラウンドとなる科目【日本語】
Prerequisite Subjects | | | マテリアル量子力学，電磁気学，マテリアル固体物理，マテリアル量子化学，結晶物理学，数学及び演習 |
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バックグラウンドとなる科目【英語】
Prerequisite Subjects | | | Quantum Mechanics for Material Engineering, Electrodynamics, Solid State Physics for Material Engineering, Quantum Chemistry for Material Engineering, Physics of Crystals, Mathematics with Exercises |
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授業の内容【日本語】
Course Content | | ・ガイダンス
本講義を受講するにあたってのガイダンスを行う。また，「機能材料」に関する知識が、先端技術社会においていかに重要かを論ずる。
【固体の光学的性質】
・無機系固体材料のプロセス
・真空中の電磁波
・物質中の電磁波（電気分極・複素誘電率）
・誘電体（絶縁体）の光学的性質
・誘電分極と周波数応答
・強誘電性・焦電性・圧電性
・導体の光学的性質
・バンド間遷移による光吸収
【固体の磁気的性質】
・様々な磁性
・磁気モーメント
・磁性に関する物理量
・磁気モーメントのポテンシャルエネルギー
・原子・イオンの常磁性
・ラーモア反磁性・パウリ常磁性・強磁性・反強磁性・フェリ磁性・磁区
【半導体の光学的・電気的性質】
・半導体のバンド構造
・真性半導体におけるキャリアのエネルギー分布
・不純物ドーピング
・pn 接合
・低次元半導体の材料特性
【超伝導】
・超伝導体が示す現象
・臨界磁場
・磁束の量子化
※指定した教科書の「初歩から学ぶ固体物理学」を事前に読んでおくこと。 |
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授業の内容【英語】
Course Content | | ・Guidance
Guidance for taking this lecture is provided.
[Optical properties of solids]
・Process of inorganic solid materials
・Electromagnetic waves in vacuum
・Electromagnetic waves in materials (electric polarization and complex permittivity)
・Optical properties of dielectric (insulator)
・Dielectric polarization and frequency response
・Ferroelectric, pyroelectric, piezoelectric
・Optical properties of conductors
[Magnetic properties of solids]
・ Various magnetism
・ Magnetic moment
・ Physical quantities related to magnetism
・ Potential energy of magnetic moment
・ Paramagnetism of atoms and ions
・ Larmor diamagnetism/Pauli paramagnetism/Ferromagnetism/Antiferromagnetism/Ferrimagnetism/Magnetic domain
[Optical and electrical properties of semiconductor]
・Band structure of semiconductors
・Energy distribution of carriers in intrinsic semiconductors
・Impurity doping
・pn junction
・Material properties of low-dimensional semiconductors
[Superconductivity]
・Phenomena Exhibited by Superconductors
・Critical Magnetic Field
・Quantization of Magnetic Flux
* Read the textbook "Solid-State Physics: From the Basics" before lecture. |
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成績評価の方法と基準【日本語】
Course Evaluation Method and Criteria | | 【評価方法】
期末試験（100%）でC-評定以上を合格要件とする。
【基準】
以下の内容について基本的な問題を正確に扱うことができれば合格とし、より難易度の高い問題を扱うことができればそれに応じて成績に反映させる。
１．無機系固体材料のプロセスおよび固体における光吸収・反射
２．固体の磁気的性質
３．半導体のバンド構造・ドーピング
４．pn接合についてその仕組み
５．半導体デバイスの動作原理
６．超伝導の物理的起源 |
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成績評価の方法と基準【英語】
Course Evaluation Method and Criteria | | Examination (100%)
Grades of C- or higher are considered as a pass. |
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履修条件・注意事項【日本語】
Course Prerequisites / Notes | | |
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履修条件・注意事項【英語】
Course Prerequisites / Notes | | | Lectures will be given face-to-face in the lecture room. |
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教科書【日本語】
Textbook | | | 初歩から学ぶ固体物理学（矢口裕之著，講談社）第12章・第13章・第14章・第15章 |
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教科書【英語】
Textbook | | | Solid-State Physics: From the Basics (Kodansha) [in Japanese] Chapters 12, 13, 14, 15 |
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参考書【日本語】
Reference Book | | 半導体物性（小長井誠著，培風館）
シリコン半導体―その物性とデバイスの基礎（白木靖寛著，内田老鶴圃）
半導体物性（Ⅰ／Ⅱ）（犬石嘉雄・浜川圭弘・白藤純嗣著，朝倉書店）
セラミックスの物理（幾原雄一編著、日刊工業新聞社） |
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参考書【英語】
Reference Book | | Introduction to Solid State Physics (WILEY, Charles Kittel)
Physics of Semiconductor devices (WILEY, Sze) |
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授業時間外学習の指示【日本語】
Self-directed Learning Outside Course Hours | | |
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授業時間外学習の指示【英語】
Self-directed Learning Outside Course Hours | | | To be indicated in class. |
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使用言語【英語】
Language used | | |
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使用言語【日本語】
Language used | | |
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授業開講形態等【日本語】
Lecture format, etc. | | |
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授業開講形態等【英語】
Lecture format, etc. | | | A-1）Face-to-face course（Only face-to-face classes） |
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遠隔授業（オンデマンド型）で行う場合の追加措置【日本語】
Additional measures for remote class (on-demand class) | | |
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遠隔授業（オンデマンド型）で行う場合の追加措置【英語】
Additional measures for remote class (on-demand class) | | |
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実務経験のある教員等による授業科目（大学等における修学の支援に関する法律施行規則に基づくもの）＜実務経験について＞
Courses taught by Instructors with practical experience(Practical experience) | | |
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実務経験のある教員等による授業科目（大学等における修学の支援に関する法律施行規則に基づくもの）<実務経験と本授業との関連性>
Courses taught by Instructors with practical experience(Relevance of the practical experience to this course) | | |
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