後期 水曜日 ３講時. 単位数/Credit(s): 2. 担当教員/Instructor : 小俣 孝久. 履修年度: 2024.
日本語
エネルギー環境材料創製学
あらゆる物質の根幹となる化学結合の基本的概念，考え方とその材料への応用を学習する。分子における化学結合から固体のエネルギーバンド構造へと展開し，太陽電池，光触媒などのエネルギーおよび環境関連材料の理解や材料設計に必要な基礎事項を習得する。
Learn the basic concepts of chemical bonds that are the basis of all substances and their application to materials science. Expanding from chemical bonds in molecules to the energy band structure of solids, students will gain an understanding of energy- and environment-related materials such as solar cells and photocatalysts, and the basics of material design. This lecture will be offered online (real-time) for the first 3 times. Classcode:d4ym6kj
1. イントロダクション
・材料の機能発現における電子の重要性
・化学結合の古典論
2. 化学結合のより深い記述
・量子化学の導入 －現実には積分さえしなくてよい経験的手法－
・量子力学のユーザーとなる準備
3. 分子軌道(1) s軌道だけでできる結合
・等核二原子分子：H2 －完全な共有結合－
4. 分子軌道(2) s軌道だけでできる結合
・異核二原子分子：LiH －イオン結合性－
5. 化学結合の感覚的理解
・分子軌道の実空間でのイメージ
・σ結合，π結合，結合性軌道，反結合性軌道，非結合性軌道
6. 分子軌道(3) p軌道の関わる結合
・等核二原子分子：O2 －酸素と窒素の反応性はなぜ違うのか－
7. 分子から結晶への拡張
・結合に関与する原子数の増加
・エネルギー準位からエネルギーバンドへ －感覚的理解－
8. エネルギーバンド(1) s軌道だけでできるエネルギーバンド
・1次元水素結晶
9. エネルギーバンド(2) s軌道，p軌道が関わるエネルギーバンド
・3次元実在結晶の取扱い
10. エネルギーバンド(3) s軌道，p軌道が関わるエネルギーバンド
・CsClのエネルギーバンド：エクセルor電卓を使って最新コードと同等の情報を得よう
11. エネルギーバンド(4) エネルギーバンドダイアグラムと諸性質
・波数空間で表したエネルギーバンド
・状態密度
・光学遷移
12. エネルギーバンド構造の実験的観測(1)
・分光法の基礎
13. エネルギーバンド構造の実験的観測(2)
・光吸収スペクトル
・光電子スペクトル・逆光電子スペクトル
・X線吸収スペクトル
14. エネルギーバンド構造の支配因子
・構成元素
・結晶構造
15. 試験
1. Introduction
・Importance of the electrons for the functions of materials
・Classical theory of chemical bond
2. Detailed description of chemical bond
・Introduction of quantum chemistry
・Preparation of using quantum mechanics
3. Molecular orbital (1); chemical bond consisiting of s-orbitals
・Homonuclear diatomic molecule: H2 (Covalent bond)
4. Molecular orbital (2); chemical bond consisting of s-orbitals
・Heteronuclear diatomic molecule: LiH (Ionic bond)
5. Sensuous understanding of chemical bonds
・Aspects of molecular orbitals in real space
・σ bonding，π bonding，bonding orbital，anti-bonding orbital，non-bonding orbital
6. Molecular orbital (3); chemical bond consisting of p-orbitals
・Homonuclear diatomic molecule: O2
7. Expanding from molecules to crystals
・An increase of number of atoms contributing to chemical bonds
・From descrete energy levels to energy band
8. Energy band(1); energy band consisting of s-orbitals
・One-dimensional hydrogen crystal
9. Energy band (2); energy band consisting of s- and p-orbitals
・Treatment of three-dimensional crystals
10. Energy band (3); energy band consisting of s- and p-orbitals
・Calculation of the energy band structure of CsCl crystal
11. Energy band (4); expression of energy band
・E-k diagram
・Density of states
・Optical transition
12. Experimental observation of the energy band structure (1)
・Basic of spectroscopy
13. Experimental observation of the energy band structure (2)
・Optical absorption spectroscopy
・Photoemission and inverse-photoemission spectroscopies
・X-ray absorption spectroscopy
14. Determination factors of energy band
・Constituent elements
・Crystal structure
15. Examination
講義内容の復習と演習を行うこと。
Review the lecture and do exercises.
試験70%，出席・レポート30%
examination 70%, attendance and short report 30%
参考書
【化学結合と電子構造の全般に関する平易な図書】
P.A.Cox著（魚崎浩平ほか訳）固体の電子構造と化学（技報堂出版）
「The electronic Structure and Chemistry of Solid」Oxford University Press ; ISBN: 0198552041
【分子軌道法およびバンド理論に関する参考図書】
W.A.ハリソン著、小島ら訳「固体の電子構造と物性」(現代工学社)
大沢映二 編「計算化学シリーズ 分子軌道法」(講談社サイエンティフィック)
F.A.Cotton著、中原 訳「群論の化学への応用」(丸善)
各回にプリントを配布する
本講義は、対面形式で実施する予定です。ただし、新型コロナウイルス感染症等の状況により、実施方法等を変更する場合がありますので、当該講義のGoogle Classroomを随時確認してください。
This class will be conducted face-to-face format. However, the way to attend a class might be changed due to infection control for COVID-19. Please check out class information by Google Classroom.