硫化亜鉛

硫化亜鉛：多様な用途を持つ半導体材料

硫化[亜鉛]は、化学式ZnSで表される、白色または黄色の粉末もしくは結晶状の化合物です。共有結合性の物質であり、自然界では主に閃亜鉛鉱として産出しますが、ウルツ鉱という結晶構造も存在します。これらの結晶構造の違いは、物質の特性に大きな影響を与えます。

閃亜鉛鉱とウルツ鉱はどちらも半導体としての性質を持っており、大きなバンドギャップが特徴です。室温(約300ケルビン)におけるバンドギャップは、ウルツ鉱が3.91電子ボルト、閃亜鉛鉱が3.54電子ボルトと、わずかながら差があります。閃亜鉛鉱からウルツ鉱への構造転移は約1293ケルビンで起こることが知られています。閃亜鉛鉱の融点は1991ケルビン、標準生成エンタルピーは−204.6 KJ/molです。

製法

硫化亜鉛は、硫黄と亜鉛を直接反応させるか、亜鉛イオンを含む水溶液に硫化水素を吹き込むことで合成できます。比較的容易に合成できる点が、様々な用途への応用を可能にしています。

用途

硫化亜鉛は、その特異な性質から、古くから現代まで様々な用途に利用されてきました。初期の原子物理学においては、アルファ線、X線、電子線といった放射線にさらされると発光する性質が注目され、シンチレーターとして用いられました。

アーネスト・ラザフォードとその研究チームは、硫化亜鉛のこの発光特性を利用してアルファ線の検出を行い、ラザフォード散乱実験に用いました。暗室で硫化亜鉛粉末の発光を目視で計測する手法は、自動計測が困難であった当時においては画期的なものでしたが、精度の面では限界がありました。それでも、この実験を通して原子核の存在が証明されたことは、物理学史上に大きな足跡を残しています。現在でも、アルファ線の検出素子として有用な物質です。

近年では、数ppm程度の活性剤を添加することで発光特性を調整し、ブラウン管、X線スクリーン、蓄光材など、幅広い用途に用いられています。活性剤の種類によって発光の色が変化し、[銀]]添加では青色、マンガン添加では黄色、銅添加では緑色の発光を示します。特に銅を添加した硫化亜鉛]は、エレクトロルミネセンスパネルなどにも利用されています。また、かつては青色[[発光ダイオードの材料として期待された時期もありました。

さらに、赤外光用の光学素子としても利用されています。可視光から12マイクロメートル以上の波長を透過する特性を持つため、光学窓やレンズなどに加工され、CleartranやIrtran-2などの商標名で市販されています。

特筆すべき点として、硫化亜鉛はドーピングによってN型半導体とP型半導体の両方の特性を示すことができます。これはII-VI族半導体の中では珍しい性質であり、その応用範囲を広げる可能性を秘めています。

まとめ

硫化亜鉛は、そのユニークな結晶構造、半導体特性、発光特性、そして光学特性を活かし、原子物理学の発展に貢献した歴史から、現代のエレクトロニクス、光学技術まで、幅広い分野で活用されている重要な物質です。今後もその特性を活かした新たな用途開発が期待されます。

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