格子欠陥

格子欠陥：結晶構造の乱れと材料特性への影響

結晶は、原子や分子が規則正しく配列した構造をしています。しかし、現実の結晶では、この規則正しい配列から外れた部分、つまり欠陥が存在します。この欠陥を格子欠陥と呼びます。格子欠陥は、結晶の強度、電気的特性、その他の物性に大きな影響を与えます。1956年に日本で「格子欠陥」という用語が登場して以来、材料科学や物性物理学における重要な研究テーマとなっています。

格子欠陥の種類

格子欠陥は、その形状や次元によって大きく3種類に分類されます。

1. 点欠陥

点欠陥は、結晶格子のある一点、もしくはごく近傍の原子配列の乱れです。いくつかの代表的な点欠陥を以下に挙げます。

異種原子: 結晶を構成する原子の一部が、異なる種類の原子に置き換わっている状態です。
格子間原子: 原子が結晶格子の本来の位置以外、つまり原子間の隙間に存在している状態です。
原子空孔: 結晶格子の本来原子があるべき位置に原子が存在していない状態です。融点付近の金属では、原子空孔の濃度は比較的高いことが知られています。
フレンケル欠陥: ある原子が結晶格子の本来の位置を離れ、格子間原子として結晶内部の隙間に移動し、その元の位置には空孔が残る欠陥です。
ショットキー欠陥: 結晶表面から一対のイオン（正イオンと負イオン）が抜け出し、結晶内部に空孔を形成する欠陥です。
伝導[[電子]]と正孔: 電子が原子から離れて結晶内を自由に移動する状態（伝導[[電子]]）や、その電子の欠損によって生じる正孔も、広義には点欠陥に含まれます。

2. 線欠陥

線欠陥は、原子の配列が一次元的に乱れている欠陥です。代表的な例として転位が挙げられます。転位は、結晶に塑性変形が加わると多数発生します。

3. 面欠陥

面欠陥は、原子の配列が二次元的に乱れている欠陥です。積層欠陥、双晶面、結晶粒界、結晶表面などがこれにあたります。

また、点欠陥が三次元的に集積してできる空隙をバルク欠陥（体積欠陥）と呼びますが、これは結晶構造の一部ではなく、結晶内部に存在する空洞と考えるべきです。

格子欠陥の生成要因

格子欠陥は、様々な要因によって生成します。

温度: 温度上昇に伴い、原子が結晶格子内を移動しやすくなり、空孔や格子間原子が生成しやすくなります。
原子価の変動: 原子が電子を失ったり得たりすることで、荷電状態が変化し、格子欠陥が生じます。
不定比性: 化合物において、構成元素の比率が化学量論比からずれると、欠陥が発生します。
不純物・添加物: 結晶中に不純物や添加物が混入すると、異種原子や格子間原子として格子欠陥となります。
応力: 結晶に外部から応力が加わると、点欠陥、線欠陥、面欠陥が順次発生し、最終的に破壊に至る場合があります。
外部環境: 結晶は、周囲の環境と平衡状態を保とうとします。例えば、酸素分圧の低い環境では、酸化物から酸素が抜け出し、酸素空孔が生じます。
空間的制限: 有限な大きさを持つ結晶は、必ず表面や粒界を持ち、それらは面欠陥となります。

格子欠陥の観測手法

格子欠陥は、様々な手法を用いて観測できます。

電子顕微鏡: 原子レベルの構造観察が可能で、欠陥密度の高い試料に適しています。
走査プローブ顕微鏡: 表面構造の原子レベルでの観察だけでなく、欠陥のマニピュレーションも可能です。
X線回折: 欠陥による回折コントラストの変化を観測し、欠陥密度の低い試料にも有効です。
光散乱: 欠陥近傍の屈折率変化による光散乱を観測します。
電子スピン共鳴: 欠陥の不対電子による磁気共鳴を検出します。
* カソードルミネッセンス、フォトルミネッセンス: 欠陥に電流や光を照射することで生じる発光を観察します。

格子欠陥研究

日本物理学会では、格子欠陥研究を議論する場として格子欠陥フォーラムが毎年開催されています。

格子欠陥は、材料の特性を理解し制御する上で非常に重要な要素です。今後も、材料科学や物性物理学の発展に貢献する研究が期待されます。

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