−−−￣＿￣￣−￣￣＿￣一二l∴ ＿＿−、l三‡∴こ−≠∴−￣ ＿∴二＿￣・−∴＋￣

ElectromagneticandOpticalPropertiesofCeramics

済溺社団法人 日本セラミックス協会

セラミックスの電磁気的。光学的性質小委員会
委員長

竹中正
鶴見 敬章
平塚 信之
藤本 正之
細野 秀雄
宮山勝
山崎陽太郎

一ノ瀬 昇 早稲田大学
副委員長

樹仁孝介
直邦
雄員橋本藤田大河徳嵩

委

向法 和郎 湘南工科大学（独）物質・材料研究機構
名古屋大学
東北大学
長岡技術科学大学

東京理科大学
東京工業大学
埼玉大学
静岡大学
東京工業大学
東京大学
東京工業大学執筆者
安藤
陽 （株）村田製作所材料統括部
石橋 善弘 愛知淑徳大学ビジネス学部
ロノ瀬 昇 早稲田大学

寺崎 一郎
中村 新男

早稲田大学理工学部応用物理学科
名古屋大学工学研究科
マテリアル理工学専攻応用物理学分野

岩田真 名古屋工業大学大学院工学研究科
大瀧 倫卓 九州大学大学院総合理工学研究院
エネルギー物質科学部門
岡元智一郎 長岡技術科学大学
梶原 浩一（独）科学技術振興機構ERATO−SORST
細野透明電子活性プロジェクト

根崎大
野村 武史
菱田 俊一
平塚 信之

長岡技術科学大学
TDK（株）磁性製品ビジネスグループ（独）物質・材料研究機構
埼玉大学大学院理工学研究科
物質科学研究部門

藤本正之

静岡大学
イノベーション共同研究センター

細野秀雄

東京工業大学
フロンティア創造共同研究センター

法橋 滋郎
水崎純一郎
湊賢一

早稲田大学理工学総合研究センター

向江 和郎
村山 宣光
山元明
山元洋
脇原 清孝

湘南工科大学マテリアル工学科

加藤

一実（独）産業技術繚合研究所
先進製造プロセス研究部門
テーラードリキッド集積研究グループ

神谷 利夫 束京工業大学応用セラミックス研究所
小樽八重航 仙台電波工業高等専門学校
下山 淳一
瀬川勇三郎

東京大学大学院工学系研究科（独）理化学研究所
励起子工学研究グループ

高田 雅介
高山 良一

長岡技術科学大学
松下電器産業（株）
先行デバイス開発センター

竹中

東京理科大学理工学部
電気電子情報工学科正

東北大学多元物質科学研究所
函館工業高等専門学校（独）産業技術総合研究所企画本部
東京工科大学バイオニクス学部
明治大学・理工学部東京工業大学大学院応用化学専攻（所属：2006年4月現在）

出版委員会「セラミックスの電磁気的。光学的性質」WG
主査
眞岩宏司

湘南工科大学マテリアル工学科伸弘

山梨大学大学院医学工学総合研究部

委員
熊田

セラミックスの電磁気的◎光学的性質 刊行に当たってセラミックスに代表される無機新素材は，金属材札 有機材斜には見られない独特の優れた機能や特性を持つ素材であり，これまで多くの産業の発展や国民生活の向上に大きな貢献をはたしてきた．
21世紀においては，情報。通信機器の高度化，グローバルな環境エネルギー問題，高齢化の発展など，重要かつ複雑困難な課題が山積しており，セラミックスによる小型。高性能電子部品，耐熱。耐食性に優れた材料，有害物質の分離。浄化用材料，生体機能を補完する人工生体材料など，QOL向上に対応できる各種材料が開発されつつあり，セラミックスなどの無機新素材技術の発展が21世紀のわが国の多くの産業を支える中核的基盤技術であるという認識が広く認められるところとなっている．
また，わが国のセラミックスなどの無機新素材産業の技術力は，産官学の協力によるところもあり，現時点では，強い国際競争力を有しているといえる．しかし，欧米主要国でも，産業の基盤となる材料技術を重視し，その研究開発を強力に推進し始めており，今後ともわが国が優位を保てるかどうか，予断を許さない状況である．
21世紀においても，わが国が国際競争力を維持し，さらにリードしていくためには，平成13年度に日本ファインセラミックス協会で策定された技術戦略に記述されているとおり，技術革新阻害要因を取り除き，重点技術課題については，推進すべき施策とその方向性を明確にして研究開発を効率的に推進することが必要である．
日本セラミックス協会の第7次基礎工学講座では，セラミックスの中でも特に機能性を有する機能性セラミックスを取り上げた．その理由は講座開催の発足の経緯でも述べたように，現在，機能性セラミックスがセラミックス製品の中でも大きな市場を確保しているにも拘らず過去の基礎工学講座では取り上げられなかったからである．
基礎工学講座は28匝Iをもってすでに終了したが，当初からの目標であった講座で取扱われた「セラミックスの電磁気的・光学的性質」を母体に単行本の計画が進行した．かつて，構造用セラミックスに係わる研究者が「セラミックスの機械的性質」の本がバイブルとして愛用されたように本書が機能性セラミックスの研究。開発に携わる人たちのバイブルになるよう願っている．
終りに，本書出版のため全面的な御支援を頂いた編集委員会の諸委員と，出版を快く御許可くださった協会関係者に厚く感謝申し上げる次第である．なお，各担当部分を分担頂き，本書の完成に努力された執筆者各位と日本セラミックス協会編集事務局にも心から感謝の意を表して，本書刊行の辞に代えたい．
セラミックスの電磁気的。光学的性質小委員会
委員長 一ノ瀬 昇

二‥∴二二￣￣＿＿∴チ∴∴三：∴−＿￣ニニ￣−＿∴一三二目

次

第1章 序論1．1セラミックの電磁気的・光学的特性〜序論〜………………………………………一ノ瀬昇

第2章 基礎
2．1電子物性の基礎‥‥
2．2電子状腰の理解はセラミックスの研究にどう役立つか

寺崎一郎

秀雄・神谷利夫

3．1電子導電セラミックスの多様性【絶縁体，半導体，金属的導電体−……………………・村山宣光

3．2粗乳和郎〜酸化物半導体のパンドラインナップを例として〜……………………・・細野

第3章 導電的性質
0041926123344

界面現象とその応用……………………………………………………・向江

3．3イオンの拡散とイオン導電率…………………………………………………‥水崎純一郎
3．4リチウムニ次電池と燃料電池（1）リチウムニ次電池………………………………・脇原将孝（2）燃料電池………………………………………水崎純一郎
淳一

3．6高温超伝導材料の特性と応用…………………………………………………‥下山淳一

5．2強誘電性セラミックスの相転移………………………………………岩田真・石橋

5．3圧電性……………………………………………………………………・安藤

6
20000
995．1誘電性……………………………………………………………………・竹中

正 弘 陽 一善良第5章 誘電的性質

974．4積層・薄膜インダクタ………………………………………………………‥藤本

374．3磁気記録…………………………………………………………………‥法橋

764．2硬磁気的性質………………………………………………………………・山元

064．1軟磁気的性質………………………………………………………………・平壌之洋郎之信滋正第4章 磁気的性質

353．5高温超伝導体における固体化学と基礎物性………………………………………‥下山

5
05．4焦電性……………………………………………………………………・高山

第6章 熟電性
6．1セラミックスの熟電的性質とその測定法…………………………………………・大瀧倫卓

6．2熟起電力の物理……………………………………………………………‥小椎八重航

第7章 光学的性質秀雄………………………………………………………・山元明‥‥‥‥‥‥‥‥・‥‥‥‥・………………‥t・t………………・中村新男

9 00
34
1

7．4非線形光学と物性

17．3発光イオンと蛍光特性

13

浩一・細野

7．2励起子とその光物性：酸化亜鉛を例として………………………………………‥瀬川勇三郎

42
1

7．1代表的酸化物と光との相互作用：SiO2を例として・………………………梶原

1①物理的手法t…………………………………………………・菱田

8．3薄膜プロセス②化学的手法…………………………………………………・加藤8．4新規プロセスー通電加熱法………………………・湊4718．2薄膜プロセス

4 2 005661118．1粉末成形と厚膜積層成形……………………………………………………‥野村史 一 実 介武 俊 一 雅第8章 プロセス賢一。根暗大・岡元智一郎・高田
1

索引‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥・‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥＝＝‥‥‥‥‥‥‥‥‥●

セラミックス誌連載2003年8月〜2005年10月．本文中の年代等の記述については掲載当時のままとしております・181

±十二 十．￣・：￣圭∴￣ −リ ￣て￣ 二＿∴−−−1∴lニ∴￣−＿ニー十∴−＿享二‥ll
凹プ瀬昇イ．1980年代の構造用セラミックスに係わる研究者

1†奉講座発足の経緯と項目内容

が「セラミックスの機械的性質」の本をバイブルに日本セラミックス協会では過去に表1に示すような連載講座の実績を有している．この表の中で「セラミストのためのパソコン講座」に次ぐ次期の連載講座として当時のセラミックス編集委員会（委員長 安藤元英氏）
はテーマ募集を行い，それらの中から要望の多かった「セラミックスの電磁気的・光学的性質」を第7次講座として提案した．提案の理由は支持者が多いことのほかに次の2点を挙げている．
① 機能性セラミックスがセラミックス製品の中で大きな市場を確保しているにもかかわらず，過去の基礎工学講座に取り上げられていないこと．
② 講座小委員会の編成，執筆者の選定，複数年にわたる継続性の観点から問題点が少ないこと．
上記のようなセラミックス編集委員会の要請を受けて，平成14年7月8日に表2に示す講座小委員会が発足した．講座小委員会では3回にわたる検討を行い，表3に示す項目の決定を行った．
執筆者には，セラミックス編集委員会から下記の要望を添えて執筆依頼することにした．

したようにこのシリーズもセラミックス研究者のバイブルになるようにして欲しい．
ロ．大学，高専用の教科書になるようにして欲しい．
ハ．本文で数式が出てくる場合は，セラミストに分かりやすく，実務に役立つように説明して欲しい．
要するに，本講座内容は一般教養程度の基礎知識を有していれば，初心者でもセラミックスの電磁気的・光学的内容が十分理解できる平易な記述で執筆をお願いしている．

2．機能性セラミックスの特徴1）
セラミックスは，金属ヤプラスチックに比べ耐熱性が高く，硬質で耐食性に優れているといわれている．しかし，あらゆるセラミックスがこの性質を持つわけではな
い、セラミックスを構成する化学結合様式としては，アルミナ（A1203），マグネシア（MgO）のようにイオン結合を主体とするものと，炭化ケイ素（SiC）！窒化ケイ素（Si3N4），ダイヤモンドのような共有結合性の強い物質，さらには，マイカや黒鉛のようなフアン・デル・ワール

表1連載講座の掲載実績
連載期間

講座名称
基礎工学講座第1次講座セラミックスの機械的性質
第2次講座セラミックスの化学【現象から原理へ−
第3次講座セラミックスの製造プロセスー粉末調製と成形一
第4次講座セラミックスのキャラクタリゼーション
第5次講座セラミックスの評価法
第6次講座複合化の科学と技術
第7次講座セラミックスの電磁気的・光学的性質

1976．1〜78．3
1978．6〜81．3
1981．4〜84．3
1984．5〜87．1
1987．5〜91．11
1992．4〜95．12
2003．8〜2005．10

セラミックス実験技術論座

1996．10〜98．9

セラミストのためのパソコン講座

2000．4〜2002．7

膠t夢

ノ伊藤

ス結合によるものなど様々であるが，高い強度は共有結

表2 本講座小委員会委員
委員長
−ノ蘭 昇
副委員長 向江 和郎
委員

大橋
河本後藤
高田
竹中
鶴見
平塚
藤本
細野
宮山
山崎

早稲日大学
元・（株）富士電横総合研究所

直樹
物質・材料研究穣構
邦仁
名古屋大学
孝
東北大学
雅介
長岡技術科学大学
正
東京理科大学散華
東京工業大学
信之
埼玉大学
正之
太陽誘電（株）秀雄
東京工業大学勝
東京大学
陽太郎 東京工業大学

合性物質に多く存在する．これらは，耐熱性，耐食性，耐摩耗性にも優れた利点を持っているので，機械的機能性セラミックスとして注目されている．
一方，セラミックスの機能は，表4に示すように電気・電子的，光学的，熱的，生化学的機能など多岐にわたり，セラミックスの特徴を生かして活用されている．これらの機能を持つセラミックスを機能性セラミックスというが，JISR1600では「セラミックスの機械的，熟乳化学的，光学的，電気的l生体的などの性質を利用した高度な機能を発現するセラミックス」と定義されている．桟能性
セラミックスがニューセラミックスの中核であるといっても差し支えないだろう．表4では，非金属の種類によって酸化物と非酸化物に分けている．

表3 本講座大項目
Ⅰ．序論
Ⅱ．基礎
Ⅲ．導電的性質
Ⅳ 磁気的性質
Ⅴ．誘電的性質
Ⅵ．熱電的性質
Ⅶ．光学的性質

3．ナノ材料と機能性発現
近年，材料工学のみに限らず，電気電子工学，機械工学，化学やバイオ工学などあらゆる工学分野でナノがキーワードになり，各々な研究が行われている．さらに，ここ数年は産学官を巻き込んだ大規模プロジェクトの始動が世界的に進行している．「ナノ」という語はこれまⅦⅠ．プロセス

表4 セラミックスにおける機能一材料一応用の関連表機能
大 分類

酸化 物 セ ラ ミックス

電気 ・電子 的機能

磁性
半導 性
イオ ン導電性

機 械的機能光 学的
機能熟的
横能生化 学的機 能

材料

応用 ＊1

機能

A 120 3，B eO
B aT iO 3，T iO 2
Pb （Z rxT il＿∫）0 3，Z n O ，基板キ ャパ シ ター
発振 子， 着火 素子 ，
表 面弾性 波遅 延素 子
記憶 ・演 算素 子 ，磁心ガ ス セ ン サ ー． パ リ ス

絶縁 性
導電 性
半導 性
電子 放射 性C，
S iC ，A IN
S iC ，M oSi2
S iC
L aB 6

基板
発熱 体
パ リス ター， 避雷 器
電子 銃用 熱陰 極

耐 摩 耗性 ，切削性
強度 機能

B 4C ，ダイヤモ ン ド，c−BN ＊3，T iC ，W C ，T iN

耐摩 耗 材t 砥 石， 切 削工
具

Si3N 。
，S iC ，サ イア ロ ン＊
5エ ンジ ン，耐 熱 ・耐食材 料 ，離 型材

潤 滑 機能C，M oS2，h−
BN 利

蛍光 性
ナ トリウム ラ ンプ，外套 管
光学 偏光 素子
光通 信 フ ァイバ ー

透光性
光 反 射性A lO N ，N 含 有 ガラス
T iN

窓材
集光材

SiC ，S i3B 4，
h−
BN ネ4

各 種 断熱材
各 種 断熱材
基額
エネ ルギ ー変換 貴子h−BN ＊4， T iB 2
Si3N 4，サ イ アロ ン＊
5機能
絶縁 性
誘 電性
圧 電性

耐摩 耗性
切削 性非 酸化物 セ ラ ミックス

S iO 2，Zn lpxM nrF e20 4
S nO 2，Z n O −B i20 3，
B aT iO 3
β−
A 120 3，安 定化 ZrO 2

A 120 3，Z rO 2

ター，抵 抗素 子
N aS 電池 ，酸素 セ ンサ ー

研 磨剤 ，砥石 ，切 削工 具

蛍光 性
透光 性

Y 20 3
A 120 3

偏光 性
導光 性

P L ZT ＊2
S iO 2 ，多 成分系 ガラス

耐熱 性
断熱 性
伝熱 性
熱電 性

A 120 3
K 20 ・〃T iO 2
C aO ・nSiO 2，ZrO 2，B eO
N aC o20 4断熱 構造材
断熱 材
エ ネル ギー変換 素 子

耐 熱性
断熱性
伝 熱性
熱電性

歯骨 材

A 120 3C a5 （F C l）p30 12
SiO 2，A 120 3

人工 歯骨

耐 食性材担 体性

応用＊l材料

触媒 担体

CC ，SiC ，A IN
F eSi2C ，SiC

蓄熱 容器
ポ ンプ軌
耐 食部 材ほ か各種＊1応用 ：開発 中の もの も含 む，ネ2 p L Z T ：（P bl＿rL ar）（Z rlサT h，）0 3，＊3 c−
B N ：立方 晶 −B N ，＊4h −B N ：六方 晶−
B N l ＊5サ イア ロ ン ‥Sト A 卜 0 〜N

2

J．Jセラミックの窟厳粛辟・兼学即符曹〜虜紛〜

でほとんど一般に知られていなかった．ナノとは通常1から100nm（1nm＝10…9m）の領域を示し，ナノテク
ノロジーは原子1個から数百個程度を意図的に扱うということになる．
ナノ材料研究の黎明期においては，材料の基礎的コンセプトの提案と創製，構造の解析と基礎物性の調査が主であったが，1980年代後半から90年代に入るとその研究は一気に拡大し，様々の材料系，作製手法におけるナノ構造材科の作製と構造・機能評価が行われ その領域も物理学，材料工学，半導体工学にとどまらず，有機化学やバイオ化学など広範囲に及ぶとともに，工学的な応用研究も盛んに行われるようになった．上記のような底辺の拡大にともない，「ナノ」さらには「ナノ材料」というキーワードは社会的にも受け入れられつつあり，21世紀のキーテクノロジーとして認知されつつある2）．

ナノ粒子化

量子サイズ効果により，ナノ粒子では＋と−が結合してサイズ固有の色を発光する．
R：9nm＋と−が結合して物質固有の色を発光する．
R：Y203：Eu3＋
G：Zn2Si04：Mn2＋
B：BaMgAl14023：Eu2＋

G：5nm
B：2nm

図2 粒子サイズによる発光色の制御と発光
102〜104個，粒径にして2〜10nmの範囲の大きさである．CdTe，ZnSなどHNⅣ族半導体の多くはこの範囲でちょうど可視光の発光を示し，粒径が小さいほど発光色

上記のように，21世紀はナノテクノロジーの時代であり，セラミックスの分野でも多くのナノ材料が期待されるが，ここでは一例として最近話題となっているナノ発光材料を紹介しよう．

は青色側にシフトする．ナノ粒子化による発光のモデル

固体物質の大きさが数nm以下の超微粒子（以下ナノ粒子と呼ぶ）になると，比表面積が非常に大きくなることで，固体でありながら気体あるいは液体との界面が極端に大きくなるため，表面の特性が固体物質の特性に大きな影響を与える．また，粒子サイズが光の波長より小る量子サイズ効果により発光色が異なり，単一物質によさくなること，磁性体の磁区よりも小さくなることなどから，同じ物質のバルク状態とは異なる特異な電子的，光学的，磁気的，化学的，機械的特性などを発揮する．
これを一般に量子サイズ効果と呼んでいる3）．半導体結晶における量子サイズ効果を示すと図1のようになる4）．
すなわち，粒径が小さくなるとバンドギャップ且gが増大する．右端のバルク体に比べて，左側へ向かってナノ結晶，クラスター，分子，原子と構成原子数が減るにつれてバンドギャップが広がり短波長の光のみを吸収するようになる．今回対象としているナノ結晶は，原子数が図を図2に示す．ディスプレイなどに用いられる蛍光体は現行の製品では，光の三原色として各々別々の蛍光体を用いているが，ナノ粒子を用いると，粒子サイズにより三原色の光を発光させることが可能である．
ナノ粒子は，量子サイズ効果以外に，材料として用いる際の充填特性の向上などが期待できることから，新しいデバイス用の原料材料として，将来重要になると考えられている．

4．本講座に期待するもの
セラミックスの電磁気的・光学的特性について書かれた成書5）やハンドブック類6）は数多くある．しかし，大学や高専で教科書として利用できるものは数えるほどしかない．ここで，冒頭に述べたようにセラミックス編集委員会からの要請で講座終了後は一冊の本とし，機能性セラミックス研究者のバイブルになり，若い研究者の教科書になることが期待されている．執筆担当の方々には是非期待に応えるような講座にして頂けるよう切にお願いしたい．
文LUMO醐−㈹−−−【￣し献1）一ノ瀬昇，機械の研究，54［12］25−33（2002）．

−−−＞ヽ
竃コ）

2）一ノ瀬昇，照明学会誌，87，232−38（2003）．

ゝ甲鱒Q）⊂L山3）R．Rossetti，J．L．Ellison，J．M．Gibson andL．E．Brus，Jαe椚．P／叩．，80，4464−69（1984）．

姦胤

HOMO4）村瀬至生，

原子数1

粒径〜0．1〜0．22（nm）

原子〜10…1分子クラスト

102〜104〜1023

2〜10＞1000

超微粒子

バルク

UnS由以e m（∋由づ由以e s由b／e

1粒子の大きさとバンドギャップの関係

ナノマテリアル最前線，平尾一之編著，化学同人社（2002）p．173．
5）例えば，日本化学会論， 機能性セラミックスの設計 ，学会出版センター（1982）．
6）例えば，日本セラミックス協会編，セラミック工学ハンドブック ，技報堂出版（2002）．

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