はじめよう固体の科学

電池、磁石、半導体など固体にまつわる話をします

MENU

結晶構造

宝石の結晶構造を見てみよう

一般に特別なものとして扱われる宝石ですが、その正体は鉱物であり結晶です.マクロな大きさの宝石は美しいですが、ミクロな大きさの結晶もなかなかきれいな構造をしています.

チタン酸カルシウム(CaTiO3):元祖ペロブスカイト、だけどちょっと不遇な物質

現在のところ、CaTiO3に関する研究がそれほど盛り上がっているようには見えません.とはいえ、兄弟分のBaTiO3とSrTiO3が異常すぎるだけで、CaTiO3にも興味深い特性はいくつもあります.

チタン酸ストロンチウム (SrTiO3): 酸化物における万能の天才

SrTiO3は、誘電体からはじまり、超伝導体、熱電材料、触媒、イオン伝導体、半導体、発光材料分野で姿を見かけ、他の物質を形成するための基板としても抜群の有用性を誇ります.

Bond valence sum の計算方法 【メモ】

酸化数の割当が、少なくとも過去に報告された類似の物質と比べておかしな値になっていないかを判断する手法の一つがBond valence sum (BVS)法です.

最密充填と結晶構造:複雑な構造をシンプルに理解する

結晶構造はいたずらに複雑にはなりません.一見して複雑な構造であっても、部分部分をよく見れば、必ずシンプルな結晶構造から組み立てることができるようになっています

多形:名前は同じ、でも別の物質

同じ組成を持ちながら異なる結晶構造を示す物質を総称して多形と呼びます.ほとんどの多形は互いによく似た見た目ですが、中には似ても似つかないものも存在します.

酸化鉄(FeO, Fe2O3, Fe3O4・・・):錆だけじゃない!様々な酸化鉄

錆だけが酸化鉄ではありません.鉄は磁石としての性質を持ち、その酸化物も磁石として振舞うことがあります.最古の磁石として有名なマグネタイトは、永久磁石だけでなく触媒材料としても活用されます.

層状複水酸化物(LDH):イオンの自在な操作と協奏

LDHはアニオンを容易に挿入、交換、脱離することができます.電極材料、光触媒、吸収剤、生体材料など用途は様々であり、学術的・産業的に数々の応用がされてきました.

XRD, XAS, XPS…:X線を利用した実験手法の一覧

様々な分析手法のうち、X線を用いて分析を行う手法をまとめました.XRD、XAS、XPS...様々な手法にはどのような違いがありますが、どのように使い分ければ良いでしょうか.

様々な結晶構造のまとめ

結晶構造には、その代表的な物質名や鉱物名から名前がつけられます.例えば、塩化ナトリウム型構造やペロブスカイト型構造は固体化学を代表する非常に有名な結晶構造です.新しい物質が発見されるにしたがって新しい結晶構造は増えていきますが、多くの物質…

アモルファス(非晶質)と結晶:無秩序な秩序が生み出す可能性

原子がバラバラに固まり、規則的なパターンを示さないことがあります.液体のように原子の位置が揺らいでいるのではなく、その位置のパターンに規則性が無いのです.

格子定数:結晶構造を知る上での基本

結晶系に単位格子を加味して結晶構造を規定したのがブラべー格子であり、全ての結晶構造の基本となります.ここで結晶構造を規定するために用いた、繰り返し構造の軸長と軸角をまとめて格子定数を呼びます.

イルメナイト:コランダムとペロブスカイトをつなぐもの

イルメナイトとはチタンと鉄を含む鉱物の一種であり、金属チタン(Ti)や二酸化チタン(TiO2)の主要な原料として幅広く活用されています.

アナターゼ、ブルッカイト、ルチルの違い

酸化チタンには、いくつかの種類(多形)が知られています.結晶構造の違いに応じて、三種類の呼び名があり、それぞれアナターゼ、ブルッカイト、ルチルと呼ばれます.

CaAl2Si2型構造:熱電材料からトポロジカル磁性体まで

組成比が1:2:2の結晶構造として有名であるのがCaAl2Si2型構造です.伝統的に熱電材料として高い性能を示す物質が多く知られてきました.近年では、トポロジカル電子物性の舞台としても注目の結晶構造です.

コランダム構造:ルビーとサファイアの結晶構造

コランダムとは酸化アルミニウム(アルミナ)の結晶であり、Al2O3の組成を持ちます.コランダム構造は、ルビーやサファイアの持つ結晶構造として非常に有名です.

ペロブスカイト型構造に関連する結晶構造

ペロブスカイトの結晶構造は非常に対称性の高い立方晶系をとっています.その堅牢な外見に反して、ペロブスカイトはとても柔軟に結晶構造を変化させることが出来るのです.

ThCr2Si2型構造:金属間化合物における機能の宝庫

金属間化合物において、まさしくスターと言える代表的な結晶構造として知られるのがThCr2Si2]型構造です.豊富な元素の組み合わせを持ち、高温超伝導体(や重い電子系物質、磁気冷凍材料などの極めて興味深い物性を示す材料も多くあります.

パイライト構造とマーカサイト構造:陰イオンの”二量体”を持つ結晶構造

パイライトとマーカサイトは、いずれも鉄の硫化物(FeS2)からなる鉱物です.パイライトは黄鉄鉱、マーカサイトは白鉄鉱とも呼ばれます.パイライト構造およびマーカサイト構造はいずれもS2ダイマーが構造中に含まれるという共通点があります.

パイロクロア構造:フラストレーションの宝庫

パイロクロア構造は、化学・物理の両分野で頻繁に顔を出します.特に磁性体としての研究が顕著で、現在もなお物性物理の中心に位置しています.カギを握るのはパイロクロア格子の存在であり、磁気フラストレーションに起因した様々な物性の舞台となります.

逆ペロブスカイト(アンチペロブスカイト):カチオンとアニオンが入れ替わったペロブスカイト

ABX3 の組成でA,Bがカチオン、Xがアニオンを担当するのがペロブスカイトなわけですが、逆ペロブスカイトではその役割が入れ替わります.すなわち、Na3OClのように、Xにカチオン種、A,Bにアニオン種が入ります.ペロブスカイトが多様な機能を示すことから予想…

ルチル構造:「赤」を意味する結晶構造

ルチルとは二酸化チタン(TiO2)からなる酸化物鉱物の一種です.ルチルの結晶構造をルチル構造と呼び、AB2の組成を持つ二元系物質でよく見られます.

三角格子、カゴメ格子、ハニカム格子.... :様々な磁気格子と磁気フラストレーション

世の中には、正方格子や三角格子だけでなく、多種多様な格子が考案され、現実の物質で実現しています.単純な磁気秩序だけではなく,時として量子スピン液体、スピンアイス、スピングラスなど時にエキゾチックな磁気物性の舞台となることが知られています.…

ポーリングの規則:結晶構造が成り立つためのルールとその現実

イオン結合性の物質において、どのような結晶構造が実現するか、あるいは実現しないかを明示した5つの経験則をポーリングの原理と呼びます.ポーリングの原理では、結晶構造中でカチオン(アニオン)がどのような局所構造にあるかを規定します.

スピネル構造:複雑な構造と多様な物性

スピネルとは、マグネシウム(Mg)とアルミニウム(Al)からなる酸化物の天然鉱物であり、MgAl2O4の組成で表されます.スピネルの結晶構造をスピネル構造とよび、AB2O4の組成を持つ三元系物質でよく見られます.酸化物だけではなく、硫化物や窒化物でもスピ…

閃亜鉛鉱型構造とウルツ鉱型構造:半導体を支える結晶構造

閃亜鉛鉱型構造とウルツ鉱型構造は、ABの組成で表される二元系物質の多くで見られる結晶構造であり、互いによく似た構造です.どちらも半導体材料でよく見られる構造であり、知らず知らずのうちにどちらかの構造を持つ材料を日常的に使用しているはずです.

蛍石型構造:イオン伝導がよく見られる基本的な結晶構造

蛍石型構造はAB2 の組成で表される結晶構造であり、多くの物質において見られます.イオン伝導を示す物質の多さが目立ちます.

配位構造と連結:結晶構造ができるまで

どんな複雑な結晶構造でも、一つ一つのパーツを見ればシンプルな形をしていることが多いです.多面体とその連結を考えることで、大多数の結晶構造も理解できます.

ダイヤモンド構造とダイヤモンド:世界一の硬さの秘密

ダイヤモンドは炭素の同素体であり、炭素の共有結合による強固な結合ネットワークを持ちます.ダイヤモンドは地球上で生成される物質の中で最も硬く、大きな熱伝導率と屈折率を誇ります.これらの際立った性質は工学分野で重宝されています.

塩化セシウム型構造:立方体+立方体

塩化セシウム(CsCl)型構造は、ABの組成で表される二元系物質の多くに見られる結晶構造です.一見、体心立方構造に見えますがそうではありません.