非金属材料

非金属材料、または専門用語ではない非金属は、金属ではない材料を指します。文脈によって、少し異なる方法で使用されます。日常生活では、橋梁に使用される鉄合金などの典型的な金属ではないプラスチック、木材、セラミックなどの材料の総称です。化学の一部の分野、特に周期表では、標準の温度と圧力の条件で金属ではない化学元素のみに使用されます。また、材料内の幅広い種類のドーパント原子を説明するために使用されることもあります。科学の一般的な用法では、容易に動き回ることができる電子を持たない材料を指し、より技術的には、フェルミエネルギー、つまり電子の平衡エネルギーで利用可能な状態はありません。歴史的な理由から、天文学では金属の定義が非常に異なり、水素とヘリウムだけが非金属です。この用語は、冶金学や金属加工などの対象材料の否定形としても使用される場合があります。

環境の変化、特に温度と圧力によって、非金属が金属に変化したり、金属が非金属に変化したりすることがあります。これは常に、構造の大きな変化、つまり相転移を伴います。電界などの他の外部刺激によっても、たとえば特定の半導体デバイスで局所的に非金属になることがあります。圧電性やフレキソ電気など、非金属にのみ見られる物理現象も数多くあります。

伝導と非金属に対する元々のアプローチは、非局在化した電子（つまり空間に広がった電子）を持つバンド構造でした。このアプローチでは、非金属はフェルミ準位の電子のエネルギー準位にギャップがあります。^{[1] ：第8章と19章}対照的に、金属はフェルミ準位に少なくとも1つの部分的に占有されたバンドを持ちます。^[1]半導体または絶縁体では、フェルミ準位に非局在化した状態はありません。たとえば、アシュクロフトとマーミンを参照してください。^{[1]これらの定義は、}ネビル・フランシス・モットが示唆したように、金属は絶対零度で電気を伝導すると述べることと同等です。 ^{[2] ：257}また、他の温度での同等の定義も、ラルフ・シュトゥーデルの「非金属の化学」^[3]などの教科書や金属-絶縁体遷移に関する研究で一般的に使用されています。^{[4] [5]}

初期の研究^{[6] [7]}では、このバンド構造の解釈は、図に示すようにバンドギャップ内のフェルミ準位を用いた単一電子アプローチに基づいており、交換項と相関項の両方が重要になる可能性のある多体問題の全体像や、スピン軌道結合などの相対論的効果は含まれていませんでした。モットとルドルフ・パイエルスによる重要な追加は、これらを無視できないということでした。^[8]たとえば、単一電子アプローチを使用した場合、酸化ニッケルは金属になりますが、実際にはかなり大きなバンドギャップがあります。 ^[9] 2024年現在、多体項が含まれる密度汎関数理論に基づくアプローチを使用する方が一般的です。 ^{[10] [11]}単一電子ではなく、充填には軌道と呼ばれる準粒子が関与します。これは、数百から数千の電子を持つシステムの単一粒子のようなソリューションです。正確な計算は依然として課題ですが、多くの場合、妥当な結果が得られています。^{[12] [13]}

アラン・ヘリース・ウィルソンとモットの初期の定義を多少微妙に変えることもよくあります。化学者の ピーター・エドワーズとその同僚^[15]と米澤芙美子^{[2] ：257-261}の両方が議論しているように、実際には金属と非金属の両方が使用される温度を考慮することも重要です。米澤は一般的な定義を提供しています：^{[2] ：260}

材料が「導電性」であり、同時に「その材料の電気伝導率の温度係数が特定の環境条件下で正ではない」場合、その材料はその環境条件下では金属です。これらの要件を満たさない材料は、その環境条件下では金属ではありません。

金属性のバンド構造定義は最も広く使用されており、絶縁体のホウ素^[16]などの単体元素とチタン酸ストロンチウム^[17]などの化合物の両方に適用されます。（フェルミ準位に状態を持ち、金属である化合物は数多くあり、例えば窒化チタン^[18]などがあります。 ）バンドギャップを測定するか、第一原理量子力学計算によって非金属を確認する実験的方法は数多くあります。 ^[19]

冶金学における別の考え方としては、鋼やアルミニウム合金などのさまざまな展性合金を金属、その他の材料を非金属とみなすというものがある。 ^{[20]金属の製造は}金属加工と呼ばれるが、^[21]非金属に対応する用語はない。このようなあいまいな定義はよく使われるが、不正確な場合もある。例えば、この用法ではプラスチックは非金属だが、実際には（導電性の）ポリマー^{[22] [23]があり、これらは正式には金属と表現されるべきである。同様だがやや複雑なことに、（非金属）半導体である多くの材料は、高濃度の}ドーパントを含むと金属のように振る舞い、縮退半導体と呼ばれる。^{[24]この多くについての一般的な紹介は、2017年に出版された}米沢富美子の著書^{[2] ：第1章}に記載されている。

非金属（化学）という用語は、通常の基底状態では金属ではない元素にも使用されます。化合物は考慮から除外されることがあります。ラルフ・シュタイデルの「非金属の化学」^{[25] : 4}などの一部の教科書では、非金属元素という用語が使用されており、伝導とフェルミ準位に関する一般的な定義も使用されています。^{[25] : 154}元素に基づくアプローチは、学生が元素周期表を理解するのに役立つように教育でよく使用されますが、^[26]教育的には過度に単純化されています。[ ^{27] [28]}周期表の右上にある元素は非金属、中央（遷移金属とランタノイド）にある元素と左側にある元素は金属です。一部の元素には、 中間の名称である半金属が使用されています。

この用語は、周期表の分類を使用して、化合物、合金、または材料の組み合わせに含まれる特定の元素タイプのドーパントを説明するときにも使用されることがあります。たとえば、半金属は高温合金によく使用され、 ^[29]非金属は鋼やその他の合金の析出硬化に使用されます。 ^{[30]ここでの説明には、ドーパントが}金属結合や電子受容体ではなく、共有結合した化合物につながる電子受容体である傾向があるかどうかに関する情報が暗黙的に含まれています。

天文学では全く異なるアプローチが用いられており、ヘリウムより重い元素すべてに金属量という用語が用いられ、非金属は水素とヘリウムのみとなっている。これは歴史的な例外である。1802年、ウィリアム・ハイド・ウォラストン^[31]は、太陽スペクトルにいくつかの暗い特徴が出現したことを指摘した。^[32] 1814年、ジョセフ・フォン・フラウンホーファーは独立してこれらの線を再発見し、その波長を系統的に研究し測定し始めた。現在ではこれらはフラウンホーファー線と呼ばれている。彼は570本以上の線を地図に描き、最も目立つ線をAからKの文字で、弱い線を他の文字で表した。^{[33] [34] [35]}

約 45 年後、グスタフ・キルヒホフとロバート・ブンゼン^[36]は、いくつかのフラウンホーファー線が、加熱された化学元素のスペクトルで特定される特徴的な輝線と一致することに気づきました。 ^[37]彼らは、太陽スペクトルの暗線は、太陽大気中の化学元素による吸収によって発生すると推測しました。 ^[38] 彼らの観測^[39]は、最も強い線が Na、K、Fe などの金属から発生する可視範囲でした。^[40]太陽の化学組成に関する初期の研究では、スペクトルで検出された元素は水素とさまざまな金属のみで、^{[41] : 23–24}これらを説明する際に金属という用語が頻繁に使用されました。^{[41] : パート 2}現代の用法では、水素とヘリウム以外のすべての追加元素が金属と呼ばれます。

天体物理学者の カルロス・ヤシェクと恒星天文学者で分光学者のメルセデス・ヤシェクは、著書『星の分類』の中で次のように述べています。^[42]

恒星内部の専門家は、水素とヘリウム以外の元素を指すのに「金属」という言葉を使い、その結果「金属存在量」は最初の 2 つ以外のすべての元素を意味します。分光学者にとってこれは非常に誤解を招きます。なぜなら、彼らはこの言葉を化学的な意味で使っているからです。一方、すべての線の複合効果を観測する (つまり、異なる元素を区別せずに)測光学者は、この「金属存在量」という言葉をよく使います。その場合、水素線の影響も含まれることがあります。

元素や化合物が特定の状況下では金属であるが、他の状況下では非金属であるケースは数多くあります。一例を挙げると、非常に高い圧力下で形成される金属水素です。 ^[44]モット、^[4] 稲田ら^{[5] 、最近では米沢[2]}によって議論されているように、他にも多くのケースがあります。

特に半導体デバイスでは、非金属への局所的な遷移が起こることもあります。一例として、電界によってフェルミエネルギーで電子が存在しない領域（空乏層）が形成される電界効果トランジスタがあります。 ^{[45] [46]}

非金属にはさまざまな特性があります。たとえば、非金属ダイヤモンドは最も硬い物質として知られていますが、非金属二硫化モリブデンは宇宙で使用される固体潤滑剤です。^[47]フェルミエネルギーに電子を持たない非金属特有の特性がいくつかあります。主な特性は次のとおりです。詳細はリンク先をご覧ください。^{[1] : Chpt 27-29  [48]}

• 誘電分極^[49]は、コンデンサーの場合のように、電界と局所双極子の配列にほぼ相当します。
• 電気収縮^[50]、電界による体積の変化、より正確には分極密度。
• フレキソエレクトリシティでは、ひずみ勾配と分極が結合します。^{[51]これは}摩擦電気効果による静電気の発生に役割を果たします。^[52]
• 圧電性、分極と線形ひずみの結合。^[50]
• 温度とともに抵抗が減少する。これは、フェルミ・ディラック統計により、部分的に占有された高エネルギーバンドで利用可能なキャリアが増えるためである^{[1] [53]}
• 光や紫外線を照射すると伝導性が増加し、光伝導と呼ばれます。これは温度の影響に似ていますが、光子が電子を部分的に占有された状態に励起します。^[54]
• 上のコンデンサの図のように電界を伝達します。金属では電界遮蔽があり、非常に短い距離を超えると電界の伝達が妨げられます。古典電気力学を参照してください。^[55]

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