単結晶について

質問

結晶構造について勉強しています。

単結晶とはどのような結晶のことなのかよく分かりません。このような化学の分野はあまり勉強したことがないので詳しく教えてください。また、具体的な単結晶の例もいくつか教えてください。

これに関する参考文献、URL等もございましたら教えてください。よろしくお願いします。

回答No.3

Umada · ベストアンサー

単結晶の前に、結晶の定義について考えてみたいと思います。
最初の段階であれば既に回答が寄せられているように「分子や原子が規則的に並んでいる」「規則的に配置している」という定義で十分かと思いますが、結晶構造について学ばれている方向けということでもう少し掘り下げて説明してみたいと思います。

いま例えば2種類の原子○と●を「規則的」に並べてみます。

●○●●○○●●●○○○・・・
●○●●○○●●●○○○・・・
●○●●○○●●●○○○・・・
【図1】

と並んでいるものは結晶でしょうか。
並び方に規則性はありますがこれは結晶とは呼びません。「規則性」の中身をもう少し厳密に定義しなくてはならないわけです。
結晶工学では結晶のことを通常、「構成する原子・分子の配置が(空間的)並進対称性を有する固体」などと定義します。では「並進対称性」とは何でしょうか?

再び2種類の原子○と●を並べてみます。

・・・・・・・・・・・・・・
・・・●○●○●○●○・・・
・・・●○●○●○●○・・・(上下左右に無限に続く)
・・・●○●○●○●○・・・
・・・・・・・・・・・・・・
【図2】

図2でですが、上下方向に1マス(1行)ずらしたとすると元の図の配置に重なります。左右方向については2マス(左右どちらでもよい)ずらすとやはり元の配置に重なります。このようにある特定の距離だけずらしても同じ配置となる性質を「(空間的)並進対称性」といい、その距離のことを「周期」といいます。周期を有する構造(周期構造)を持つことが結晶の本質です。

次に「単結晶」について説明します。単結晶とは通常、「多結晶」の対義語として使われる用語です。
「単結晶(単結晶材料)」とは「その材料のどの部分を取り出しても、その結晶の方位が一定である材料」を指します。平たく言うならばその塊のどこを切り出しても、原子・分子の並んでいる向きが同じ、ということです。既に回答が寄せられているように半導体シリコンはその最も有名な例です。参考ページ[1]のページに工業的製法(チョクラルスキ法)の紹介がありますからご覧ください。
これに対し切り出す場所によって結晶軸が異なる材料が「多結晶」で、これはNo.2でmmmmaさんが「一つの塊の中で複数の結晶領域がある」と説明されている通りです。多結晶でも個々の領域(結晶粒)を取り出せばそれは単結晶です。
参考ページ[2]では同じシリコンでも多結晶シリコンを用いた太陽電池パネルが紹介されています。領域ごとに光の反射の仕方が異なるためステンドグラスのようなモザイク模様を呈します。

他の単結晶の例としては
多くの宝石(ダイヤモンド、サファイア、水晶など)　多くの半導体材料(シリコン以外にガリウムヒ素やガリウムリンなど)　岩塩　雪
などがあり、多結晶の例としては
ほとんどの金属(鋳鉄、アルミ合金など)　セラミックス(アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素など)　通常の氷
などがあります。

宝石はなぜ単結晶なのでしょうか。(というか、なぜ単結晶の鉱物でないと宝石としての価値が出ないのでしょう?)　材料中に光が入射した際、もしその材料が多結晶であったなら、個々の結晶粒間の境界(粒界などと言います)で光が散乱され透明にはなりません。単結晶であるが故に透明となり価値が出てくるわけです。(注: 単結晶でも透明でないものはあります)
また同じ水が凍ったものでも、雪はなぜ単結晶で氷は多結晶なのでしょうか。雪は上空で、結晶の元となる小さな粒(核)に次々と他の水の分子が順々に規則正しく並んでできるものです。氷は一か所から凍り始めるとは限らず、複数地点から凍り始めると、そこから出発したそれぞれの領域は無関係な並び方(結晶方位)をすることになるからです。

この辺の話を網羅的に記述しているサイトは残念ながら見つけられませんでした。書籍についてはhonisuさんが目指される方向が分からないので難しいのですが、例えば
「結晶工学の基礎」http://www.shokabo.co.jp/mybooks/ISBN4-7853-2509-7.htm
あたりは悪くないと思います。

[1] http://www.sumcosi.com/laboratory/laboratory1.html
[2] http://www.greenpost.jp/099/00new/02/pv/

参考URL：

http://www.shokabo.co.jp/mybooks/ISBN4-7853-2509-7.htm

お礼

ご回答ありがとうございます。
私は強磁性体のエネルギーについて研究しているものです。
いまは強磁性エネルギーのうちの一つである異方性エネルギーについて勉強中です。
今回は、異方性エネルギーに結晶構造が寄与しているということでこのような質問をしてみました。
たくさん単結晶の例を教えていただいて、とても参考になりました。

回答No.2

mmmma

分子や原子が規則的に並んでいる状態が結晶状態です。

一般的に自然界では不純物や結晶の生成過程の影響で、1つの塊の中で複数の結晶領域があります。

これに比べて単結晶のものは不純物を取り除き、結晶を徐々に生成させることで、1つの結晶構造しか持たない大きな塊を作ることが出来ます。これが単結晶の物質ということになります。

シリコンウェハーなどは、溶融したケイ素に核となるものを漬け、徐々に引き上げることで単結晶の塊を作っています。

補足

単結晶についての詳しい説明ありがとうございます。
もしよろしければシリコンウェハー以外の単結晶の例を教えてください。お願いします。

回答No.1

kajyukun

規則的に配置が決まっているようなのが単結晶です。
たとえばシリコンウェーハなど。
いろいろな構造の組み合わせが多結晶で、結晶性がないのがアモルファスです。

お礼

回答ありがとうございます。単結晶と多結晶について、概ね理解することができました。