無定形炭素

無定形炭素とは

無定形炭素は、結晶構造を持たない炭素の総称です。アモルファス炭素とも呼ばれ、その特徴的な構造と性質から、様々な分野で注目されています。

無定形炭素の特徴

結晶構造の欠如: 無定形炭素の最大の特徴は、原子が規則的に配列した結晶構造を持たないことです。これにより、特有の物理的・化学的性質を示します。
高い反応性: 結晶構造を持たないことで、反応性が高くなります。特に、表面には結合の手が余っている状態（ダングリングボンド）が多く存在します。
水素化による安定化: ダングリングボンドは不安定であるため、水素と結合させることで安定化させることができます。これを水素化無定形炭素と呼びます。
多様な構造: 短距離での原子の秩序は認められるものの、全体としてはランダムな構造をしています。

無定形炭素の種類と表記

aC: 通常の無定形炭素を指します。
aC:H または HAC: 水素化無定形炭素を表します。
ta-C: ダイヤモンドライクカーボン（DLC）の表記です。これは、無定形炭素の中でも特にダイヤモンドに近い性質を持つものを指します。

鉱物学における無定形炭素

鉱物学では、無定形炭素という名称が、石炭、すす、グラファイト、ダイヤモンド以外の不純な炭素に対して用いられます。しかし、これらの物質は実際には、結晶構造を持つグラファイトやダイヤモンドが、無定形炭素のマトリックスに埋め込まれた多[[結晶]]構造であることが多いです。

近代科学における無定形炭素

20世紀後半以降、化学気相成長法（CVD）やスパッタリング法などの薄膜成長技術が発展し、真の無定形炭素を合成することが可能になりました。これにより、無定形炭素の基礎研究や応用開発が大きく進展しました。

真の無定形炭素の特徴

π電子の局在: π電子が局在しており、結合の長さが他の炭素同素体とは異なります。
ダングリングボンドの存在: 多くのダングリングボンドが存在し、結合角度が変化しやすくなっています。
原子間距離の偏差: 原子間距離の偏差が大きく、回折測定で5％程度のずれが生じます。

無定形炭素の性質

無定形炭素の性質は、成膜時の条件（例えば、温度や圧力、ガス組成など）によって変化します。特に、sp2とsp3炭素結合の比率が重要な指標となります。

sp2結合: グラファイトにみられる結合で、炭素原子が3つの隣接原子と結合した構造です。
sp3結合: ダイヤモンドにみられる結合で、炭素原子が4つの隣接原子と結合した構造です。

sp3結合の割合が多いほど、ダイヤモンドに近い硬さや電気絶縁性などの性質を示し、このような材料はダイヤモンドライクカーボン（DLC）と呼ばれます。

sp2とsp3の比率の決定

実験的には、いくつかの分光ピークの相対強度を比較することで、sp2とsp3の比率を推定できます。理論的には、隣接する炭素原子の数を数えることで、この比率を求めることができます。

無定形炭素の応用

無定形炭素は、その特性から様々な分野で利用されています。

ハードコーティング: DLCは硬度が高いため、工具や機械部品の耐摩耗性コーティングに利用されます。
電子デバイス: 電気伝導性や半導体特性を利用して、薄膜トランジスタや太陽電池の材料として利用されます。
光学材料: 透明性や屈折率制御のしやすさから、光学レンズや反射防止膜に利用されます。

注意点

実際の無定形炭素、例えば煤や煙突のすすなどは、多環芳香族炭化[[水素]]を多く含み、発がん性がある場合があるので、取り扱いには注意が必要です。

関連用語

ガラス状炭素
ダイヤモンドライクカーボン
カーボンブラック
すす
炭素

無定形炭素は、その多様な構造と性質から、今後の科学技術の発展に大きく貢献する可能性を秘めた材料です。

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