粘土製の鳥の形をした儀式用の容器、アルクムス イラクリオン、紀元前 2300 ～ 1900 年。非金属材料が使用された初期の例の 1 つです。

非金属材料、または非専門用語で非金属は、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、容易に動き回れる電子を持たない材料を指し、より専門的には、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がありません。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分野で、対象とする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、特に温度と圧力は、非金属を金属に変化させ、またその逆も起こります。これは常に構造の大きな変化、すなわち相転移を伴います。電界などの外部刺激も、例えば特定の半導体デバイスにおいて、局所的な非金属化を引き起こすことがあります。また、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存在します。

一般的な定義

平衡状態における様々な物質の電子状態の充填図。ここで、高さはエネルギー、幅はリストされている物質において特定のエネルギーにおいて利用可能な状態密度である。色はフェルミ・ディラック分布に従う（黒：すべての状態が充填、 白：どの状態も充填されていない）。金属および半金属では、フェルミ準位 E F は少なくとも1つのバンド内に存在する。
絶縁体と半導体 では、フェルミ準位はバンドギャップ内にあります。しかし、半導体では、バンドはフェルミ準位に十分近いため、電子または正孔が熱的に存在することができます。「intrinsic」は、真性半導体を示します。
編集

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ている電子）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存在します。[1] ：第 8 章と第 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]半導体や絶縁体ではフェルミ準位に非局在化した状態は存在しません。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は、 Ralf SteudelのChemistry of the Non-Metals [3]などの教科書や金属–絶縁体遷移に関する研究でもよく使用されています。[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となる多体問題の全体像、さらにはスピン軌道相互作用などの相対論的効果は考慮さ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、これらの効果を無視できないという点でした。[8]例えば、酸化ニッケルは単電子アプローチを用いると金属になりますが、実際にはかなり大きなバンドギャップを持っています。[9] 2024年現在では、多体項を考慮した密度汎関数理論に基づくアプローチがより一般的になっています。 [10] [11]充填には単電子ではなく、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系における単粒子のような解です。正確な計算は依然として課題となっていますが、現在では多くの場合、妥当な結果が得られています。[12] [13]

様々な材料の室温電気抵抗[14]

アラン・ヘリーズ・ウィルソンとモットの初期の定義には、多少のニュアンスを持たせることも一般的です。化学者の ピーター・エドワーズとその同僚[15]、そして米澤芙美子[2] :257–261 によって論じられているように、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示しています: [2] :260 

ある材料が「導電性」であり、かつ同時に「ある環境条件下でその材料の電気伝導率の温度係数が正ではない」場合、その材料はその環境条件下で金属性である。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性ではない。

金属性のバンド構造定義は最も広く使用されており、絶縁体のホウ素[16]などの単体元素だけでなく、チタン酸ストロンチウム[17]などの化合物にも適用されます。（フェルミ準位に状態を持ち、金属である化合物は数多く存在し、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ことや、第一原理量子力学計算を行うことによって、非金属を確認する実験的方法は数多くあります。[19]

機能定義

1940 年代、輸送機用の金属部品を加工するタレット旋盤のオペレーター。

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様々な展性合金を金属、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呼ぶべきである。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舞い、縮退半導体と呼ばれる。[24]この多くに関する一般的な入門書は、2017年に出版された米沢富美子著[2]の第1章 に記載されている。

周期表の元素

周期表

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・シュトゥーデルの「非金属の化学」[25] : 4 など、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、周期表の分類を用いて、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。例えば、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。

視覚的に見えるフラウンホーファー線を含む太陽スペクトル。

天文学における非金属

天文学では全く異なるアプローチが用いられ、ヘリウムより重い元素全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されています。これは歴史的な例外です。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ていることに気づきました。[32] 1814年、ヨーゼフ・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、その波長を体系的に研究・測定し始めました。現在ではそれらはフラウンホーファー線と呼ばれています。彼は570本以上の線を地図化し、最も顕著なものをAからKの文字で、より弱いものを他の文字で示しました。[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確認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だけであり、[41] : 23–24 これらを説明するため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元素が金属と呼ばれています。

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「金属」と呼び、その結果、「金属存在比」は水素とヘリウム以外のすべての元素を包含することになります。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用しているからです。一方、分光測光学者は、すべての輝線の影響を複合的に観測する（つまり、異なる元素を区別せずに観測する）ため、しばしばこの「金属存在比」という用語を使用します。この場合、水素輝線の影響も含まれる可能性があります。

金属絶縁体転移

二酸化バナジウムでは、位置とdレベルの小さな変化が金属-絶縁体転移を引き起こす。[43]

元素や化合物が特定の状況下では金属である一方、他の状況下では非金属となるケースは数多く存在します。例えば、非常に高い圧力下で生成される金属水素が挙げられます。 [44]モット[4] 、 稲田ら[5]、そして最近では米澤[2]によって論じられているように、他にも多くのケースがあります。

特に半導体デバイスにおいては、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おいて電子が存在しない領域（空乏層）が形成されることがある。[45] [46]

非金属特有の性質

分極誘電体材料

非金属は多様な特性を持ちます。例えば、非金属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もいくつかあります。主な特性については、リンク先で詳細をご覧ください。[1] ：第27-29章 [48]

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