単位数: 2. 担当教員: 雨澤 浩史, 千葉 大地, 野村 光. 開講年度: 2024. 科目ナンバリング: TMA-MEE327J.
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Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。
学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)
１．目的
現代社会で用いられている固体材料における様々な機能の発現メカニズムについて学び，その機能を発現，安定化，向上させる材料組成・組織制御技術に関する知識を得る．
２．概要
原子結合や組成，微細組織の制御に基づく材料機能の発現メカニズムを学び，構造材料，電子材料，光学材料，磁性材料，エネルギー変換材料，等の機能支配因子について論ずる．また，材料機能に深く関連する結晶構造，材料組成，微細組織等の観察・測定方法について学ぶ．
３．達成目標等
材料の各種機能の発現メカニズム，および，社会で使用されている各種機能材料に関する基礎知識を習得する．
４．本講義は，Google Classroomを利用する場合がある．その場合のクラスコードは「d7o7nce」である．
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)
1. Object
This lecture offers an opportunity to understand the origins of various physical and chemical functions of materials, which are necessary for the development of devices and equipment. The lecture will also focus on how to control and optimize the material functions for practical applications.
2. Summary
This lecture will discuss the relationship between atomic bonding/alignment in materials and various properties such as mechanical, thermal, electronic, optical, ionic, magnetic, and electrochemical properties. The operating principles of characterization techniques of morphology, structure, crystal structure, elemental composition, which are closely related to material functions, will be also lectured.
3. Goal
Students will understand the basic concepts of material functions and how to control them for practical applications.
4. Other
This lecture may be held with Google Classroom (class code : d7o7nce).
１）「材料科学I」を履修していることが望ましい．
２）教科書は使用せず，必要に応じて講義資料を配布する．
３）参考書として，下記の書籍を推奨する．
「固体材料の科学」，R.J.D. Tilley著，滝澤博胤，田中勝久，大友明，貝沼亮介訳，
東京化学同人 （ISBN：978-4807908585）
1. It is desirable to take "Materials Science I" course in advance.
2. A textbook will not be used. Lecture materials will be distributed, if necessary.
3. The following book is recommended as a reference book.
"Understanding Solids: The Science of Materials", R.J.D. Tilley, John Wiley & Sons (ISBN:978-1118423462)
第１回：「イントロダクション」
講義の概要（講義の目標，講義方法，講義担当，日程，単位認定方法等）の説明を行う． 社会で利用されている様々な機能材料について，最近のトピックスも含めて俯瞰するとともに，材料の機能設計の考え方として様々な物理化学特性の発現メカニズムとその制御方法の要点を論じる．
第２回：「材料機能設計の基礎としての原子結合」
材料機能の決定因子として重要な原子結合，原子間ポテンシャルについて，「材料科学I」の復習を含め，学ぶ．材料の機械的性質や熱的性質の発現メカニズムを原子結合と結晶構造という視点で論じる．
第３回：「材料の分析・評価１：組織・構造観察」
材料を構成する原子の組織，結合状態の分析・評価手法として，電子顕微鏡（走査型電子顕微鏡，透過型電子顕微鏡）や原子間力顕微鏡，トンネル顕微鏡等の原理を学ぶ．また，観察事例の紹介等も交え，マイクロ，ナノスケール観察の魅力や必要性を論じる．
第４回：「材料の分析・評価２：結晶構造・元素分析」
材料を構成する元素とその結合状態の分析・評価手法として，原子配列の規則性を分析する回折法（X線回折，電子線回折）や結合エネルギーから元素を同定する各種分光法（EDX法，AES法，XPS法等）についてその原理と分析事例を学ぶ．
第５回：「電子材料と電気伝導メカニズム（金属，半導体，絶縁体）」
材料の電子準位，エネルギーバンドについて説明する。また，これらに基づき，金属，絶縁体，半導体の違いやそれぞれの伝導メカニズムについて説明する．
第６回：「半導体の接合」
異種物質間の接合がエネルギーバンド構造に与える影響について学ぶ．半導体pn接合で起きる整流効果，光放出，光励起等の現象に基づき，この現象を利用したダイオード，太陽電池やLEDなどの半導体デバイスについて学ぶ．
第７回：「光学特性」
可視光と材料間に生じる屈折，反射，吸収，透過，散乱といった光学現象の基礎と材料における基本的な光学特性を学ぶ．それに基づき材料の呈色機構や光ファイバー，ミラーなどの光学デバイスの作動について説明する．
第８回：「拡散・イオン伝導」
固体におけるイオン（原子）拡散およびそれに関与する固体内欠陥について学ぶ．また，イオン伝導材料の応用例として燃料電池，二次電池などを取り上げ，これらの電気化学デバイスにおいて材料が果たす役割について論ずる．
第９回：「誘電性」
電子，イオン，配向分極といった誘電性の発現メカニズムを学ぶ．また，誘電体の類別化（常誘電性，圧電性，焦電性，強誘電性）について説明するとともに，それぞれの性質を紹介する．
第１０回：「磁性」
材料の磁性に関する基礎的概念とその類別化（反磁性と常磁性，強磁性，反強磁性，フェリ磁性）について学ぶ．特に強磁性体を取り上げ，その特徴的な挙動について論じる．
第１１回：「熱物性」
熱容量や熱伝導といった材料の熱物性の原理について説明する．また，熱エネルギーと電気エネルギーの相互作用である熱電効果について学び，これを利用した熱電対やペルチェ素子等について紹介する．
第１２回：「複合体」
複合材料の機能に関する基礎的概念を学ぶ．また，材料強度機構を例に，微細組織制御など，機能向上のための具体的な材料設計の考え方，製造方法について説明する．
第１３回：「耐環境性」
金属の腐食（酸化）の駆動力，速度について，電気化学的な観点から論じ，防食のための考え方，手法を学ぶ．また，応力腐食や水素脆化など，材料耐性に及ぼす環境の影響について説明する．
第１４回：「総括」
講義全体の総括と「材料機能」を考える上での重要なポイントをまとめる．
第１５回：「期末試験」
1. Introduction
The purposes of this lecture will be explained. Various functional materials used in practical devices will be overviewed, and basic concepts for their designs will be discussed.
2. Atomic bonding
The basic concept of atomic bonding and interatomic potential, which are closely related to various material properties, will be explained. The origins of mechanical and thermal properties will be discussed from viewpoints of atomic bonding and crystal structure.
3. Material characterization I (observation of morphology and structure)
Various types of microscopes, including SEM, TEM, AFM, and STM, and their operating principles will be introduced as observation techniques of morphology and structure of materials. Importance of macroscopic and microscopic observation will be discussed.
4. Material characterization II (analysis of crystal structure and element)
The principles of X-ray and electron diffraction as analytical techniques of atomic alignment in materials will be explained. Elementary analyses using various spectroscopic techniques, such as EDX, AES, and XPS, will be also lectured.
5. Electrical conduction in materials (Metal, Semi-conductor, Insulator)
The principles of electron energy levels and energy bands will be learned. Based on them, electrical conduction mechanism in metal, semi-conductor, and insulator will be explained.
6. Semi-conductor junction
The influence of junctions between different electrical conducting materials will be learned. Based on the phenomena such as rectification effect, light emission and photo-excitation occurred at junctions between P and N types semi-conductors, fundamental principles of diodes and LEDs and photovoltaic cells will be explained.
7. Optical properties
Optical phenomena such as refraction, reflection, absorption, scattering, and transmission, between visible light and materials, and fundamental optical properties will be learned. Based on them, coloration mechanism of materials and fundamental properties of optical devices such as light fibers, and mirrors will be explained.
8. Diffusion/Ionic conduction
Students will learn diffusion of ions or atoms in solid as well as related point defects. In addition, the role of ion conductors in electrochemical devices will be explained: ex. fuel cells and rechargeable batteries.
9. Dielectrics
The origins of dielectric properties will be discussed in relation to the polarization of electrons, ions and molecules in materials. The classification of dielectric materials (paraelectric, piezoelectric, pyroelectric, ferroelectric) will be explained, and their typical characters will be introduced.
10. Magnetism
Basic concept of magnetism will be overviewed classifying it into different types : diamagnetism, paramagnetism, ferromagnetism, antiferromagnetism and ferrimagnetism. Focus will be made on ferromagnetic materials, and their typical characters will be discussed.
11. Thermophysical Properties
The principle of thermophysical properties of materials such as heat capacity and thermal conductivity will be explained. Based on the study on thermoelectric effect, which is the interaction between thermal energy and electric energy, the principles of thermoelectric devices such as thermocouples and Peltier devices will be introduced.
12. Composite materials
The basics of composite properties, such as mechanics, manufacturing processes, microstructure and other subjects as time permits, are introduced.
13. Environmental resistance
Motive force and rate of corrosion (oxidation) of metals will be dealt in terms of electrochemistry, and principals and techniques of corrosion control will be lectured. Additionally, effects of environment on materials durability in such as stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement will be explained.
14. Summary
Points for materials’ function and their designs will be summarized.
15.Term-end exam
授業時に課される宿題を提出するだけでなく，配布されるプリントにより授業内容を復習し，理解できていない点があれば質問を用意し，次回授業時に質問すること．
Students are required not only to submit class assignments but also to review each class using handouts. If there remain any parts they cannot understand, they should ask questions in the next class.
定期試験，授業中の小テスト／レポート，授業への出席状況を総合して評価する．
Evaluation is performed comprehensively based on the result of end-term exam, the number of attendance, and the results of mini tests/reports.
Google classroom クラスコード： d7o7nce
オフィスアワーは各回の講師により別個指示される。
Office hours will be indicated by each teaching staff.