非金属材料

非金属材料、または専門用語を使わずに非金属と言えば、金属ではない材料を指します。文脈によって、その意味は少しずつ異なります。日常生活では、橋梁などに使われる鉄合金のような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全般を指す一般的な用語です。化学の分野、特に周期表では、標準温度と圧力の条件下で金属ではない化学元素のみを指すのに使われます。また、材料中のドーパント原子の広範な分類を表すのにも使われることがあります。科学の一般的な用法では、容易に移動できる電子を持たない材料を指し、より専門的に言えば、電子の平衡エネルギーであるフェルミエネルギーに利用可能な状態がない材料を指します。歴史的な理由から、天文学では金属の定義が大きく異なり、水素とヘリウムだけが非金属とされています。この用語は、冶金や金属加工などの分野で、対象となる材料の否定形として使われることもあります。

環境の変化、特に温度や圧力の変化によって、非金属が金属に変化したり、その逆の現象が起こっ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。電場などの外部刺激によっても、例えば特定の半導体デバイスのように、局所的に非金属状態になることがあります。また、圧電効果や屈曲電気効果など、非金属にのみ見られる物理現象も数多く存在します。

伝導と非金属に関する当初のアプローチは、非局在化電子（つまり空間に広がっている）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章および第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状態はありません。たとえば、AshcroftとMerminを参照してください。^{[ 1 ]}これらの定義は、 Nevill Francis Mottが示唆したように、金属が絶対零度で電気を伝導すると言うことと同等です。[ 2 ] ^{： 257また、他}の温度での同等の定義も、 Ralf SteudelのChemistry of the Non-Metals ^{[ 3 ]}などの教科書や金属-絶縁体転移に関する研究^{[ 4 ] [ 5 ]}などで一般的に使用されています。

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持つ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 ]}例えば、単一電子アプローチを使用すると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 年現在では、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、軌道と呼ばれる準粒子が充填に関与しており、軌道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解です。正確な計算は依然として課題ですが、現在では多くの場合、妥当な結果が得られています。^{[ 12 ] [ 13 ]}

アラン・ヘリーズ・ウィルソンとモットによる初期の定義を多少ニュアンス付けすることも一般的である。化学者のピーター・エドワーズとその同僚^{[ 15 ]}、および米澤文子^{[ 2 ] : 257-261}が論じているように、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実際には重要である。米澤は一般的な定義を示している^{[ 2 ] : 260}

材料が「実施する「かつ、同時に、ある環境条件下における当該材料の電気伝導率の温度係数が正でない」場合、その材料はその環境条件下において金属である。これらの条件を満たさない材料は、その環境条件下において金属ではない。

金属性のバンド構造定義は最も広く使用されており、絶縁体であるホウ素^{[ 16 ]}のような単一元素だけでなく、チタン酸ストロンチウム^{[ 17 ]}のような化合物にも適用されます（フェルミ準位に状態を持ち金属的な化合物は多数あり、例えば窒化チタン^{[ 18 ]}など） 。バンドギャップの測定や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も多数あります^{[ 19 ] 。}

冶金学における別の考え方として、鋼鉄、アルミニウム合金などの様々な可鍛合金を金属、その他の材料を非金属とみなす方法がある。^{[ 20 ]}金属の加工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。このような曖昧な定義は一般的に用いられることが多いが、不正確な場合もある。例えば、この定義ではプラスチックは非金属となるが、実際には（電気伝導性）ポリマー^{[ 22 ] [ 23 ]}が存在し、これらは正式には金属と分類されるべきである。同様に、やや複雑な例として、（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 ]}これらの多くに関する一般的な入門書は、米澤文子著の2017年の書籍^{[ 2 ]の第1章}にある。

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。一部の教科書では、Ralf Steudel著の『非金属の化学』^{[ 25 ] : 4}のように、非金属元素という用語を使用しており、伝導とフェルミ準位の観点から一般的な定義も使用しています。 ^{[ 25 ] : 154}元素に基づくアプローチは、学生が元素の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 ]}これは教育の単純化のしすぎです。^{[ 27 ] [ 28 ]}周期表の右上の元素は非金属であり、中央（遷移金属とランタニド）と左の元素は金属です。一部の元素には、中間的な指定であるメタロイドが使用されます。

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おける特定の元素タイプのドーパントを説明する際にも使用されることがあります。たとえば、メタロイド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ついての情報が暗黙のうちに含まれています。

天文学では全く異なるアプローチが用いられており、金属度という用語はヘリウムより重いすべての元素に用いられるため、非金属は水素とヘリウムのみである。これは歴史的な異常である。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多数の暗い特徴が現れることに注目した^{[ 32 ]} 。 1814年、ジョセフ・フォン・フラウンホーファーは独自にこれらの線を再発見し、体系的に研究して波長を測定し始め、現在ではフラウンホーファー線と呼ばれている。彼は570以上の線をマッピングし、最も目立つ線をAからKまでの文字で、弱い線を他の文字で指定した^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] 。}

約45年後、グスタフ・キルヒホフとロベルト・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識別される特徴的な発光線と一致することに気づいた^{[ 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引き起こされると推測した^{[ 38 ]} 。 彼らの観測^{[ 39 ]}は、最も強い線がNa、K、Feなどの金属から来る可視光領域で行われた^{[ 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あり^{[ 41 ] : 23-24} 、それらを記述する際には「金属」という用語が頻繁に使用された^{[ 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は「金属」と呼ばれる。

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る。^{[ 42 ]}

恒星内部構造の専門家は、水素とヘリウム以外の元素を「金属」と呼ぶため、結果として「金属存在量」とは、水素とヘリウム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く表現です。なぜなら、彼らはこの言葉を化学的な意味で用いるからです。一方、すべてのスペクトル線の複合的な効果を観測する測光者は（つまり、異なる元素を区別せずに）、しばしば「金属存在量」という言葉を用いますが、その場合、水素線の効果も含まれる可能性があります。

ある元素や化合物が特定の状況下では金属的であるが、別の状況下では非金属的であるケースは数多く存在する。その一例として、非常に高い圧力下で形成される金属水素が挙げられる。^{[ 44 ]モット[ 4 ]} 、 稲田ら^{[ 5 ]}、そして最近では米澤^{[ 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存在する。

特に半導体デバイスでは、非金属への局所的な遷移も起こり得る。一例として、電界効果トランジスタでは、電界によってフェルミエネルギーに電子が存在しない領域（空乏層）が生じることがある。^{[ 45 ] [ 46 ]}

非金属は幅広い特性を持ち、例えば非金属のダイヤモンドは既知の物質の中で最も硬い物質であり、非金属の二硫化モリブデンは宇宙で使用される固体潤滑剤である。^{[ 47 ]}フェルミエネルギーに電子を持たないという特性がいくつかある。主な特性については、リンク先に詳細が記載されている。^{[ 1 ]：第27～29章[ 48 ]}

• 誘電分極^{[ 49 ]}は、コンデンサのように局所双極子が電場と整列することにほぼ相当する。
• 電気歪み^{[ 50 ]}とは、電場による体積の変化、より正確には分極密度の変化のことである。
• フレクソエレクトリシティとは、歪み勾配と分極の間に結合がある現象である。^{[ 51 ]}これは摩擦帯電効果による静電気の発生に関係している。^{[ 52 ]}
• 圧電効果とは、分極と線形歪みの間の結合である。^{[ 50 ]}
• 温度の上昇に伴い抵抗が減少するのは、部分的に占有された高エネルギーバンドに利用可能なキャリア（フェルミ・ディラック統計による）が増えるためである^{[ 1 ] [ 53 ]。}
• 光や紫外線照射によって導電率が増加する現象を光伝導性と呼ぶ。これは温度の影響に似ているが、光子が電子を部分的に占有された状態に励起する。^{[ 54 ]}
• 上のコンデンサの図のように電場を伝達します。金属では、非常に短い距離を超えると電場の遮蔽が起こり、これが妨げられます。古典電磁気学を参照してください。^{[ 55 ]}

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