結晶構造一覧と分類・鉱物の具体例・実用分野への応用

結晶構造一覧と分類

結晶系の基本分類と対称性

 

結晶構造は対称性に基づいて7つの結晶系に分類されます。最も対称性が高いのが立方晶系（等軸晶系）で、正方晶系、六方晶系、三方晶系、斜方晶系（直方晶系）、単斜晶系、三斜晶系の順に対称性が低くなります。これらの結晶系は、単位格子の軸長と軸角の関係によって定義され、各結晶系には特定の対称要素が必ず含まれています。

 

参考）http://crystallization.eng.niigata-u.ac.jp/%EF%BC%92%E7%AB%A0-%E7%B5%90%E6%99%B6%E6%A7%8B%E9%80%A0210903.pdf
​
結晶格子をさらに詳細に分類すると、14種類のブラベー格子（Bravais lattice）または空間格子が存在します。ブラベー格子は、単純格子（P）に加えて、底心格子（C）、体心格子（I）、面心格子（F）という格子点の配置パターンによって区別されます。例えば立方晶系には、単純立方格子（cP）、体心立方格子（cI）、面心立方格子（cF）の3種類のブラベー格子が存在します。

 

参考）結晶構造 - Wikipedia
​

結晶構造の空間群による詳細分類

ブラベー格子にさらに対称操作の要素を加味すると、結晶構造は230種類の空間群に分類されます。空間群とは、対称操作を元とし、元のひとつに必ず空間並進を含むような群のことです。この空間群の概念により、結晶内部の原子配列の詳細な対称性まで記述することが可能になります。

 

参考）https://u.muroran-it.ac.jp/hydrogen/lec/Ceram03PPT.pdf
​
三次元空間における結晶の分類は、三斜晶系2種、単斜晶系13種、斜方晶系59種、正方晶系68種、三方晶系25種、六方晶系27種、立方晶系36種の合計230種の空間群として完全に分類されます。これらの分類は、結晶学における基礎理論として、X線回折などの構造解析手法と密接に関連しています。

 

参考）3.7. 空間群の分類 href="https://yseto.net/crystallography/practice/practice-70" target="_blank">https://yseto.net/crystallography/practice/practice-70amp;#8211; Setohref="https://yseto.net/crystallography/practice/practice-70" target="_blank">https://yseto.net/crystallography/practice/practice-70amp;#039;…
​

結晶構造の鉱物における具体例

代表的な鉱物の結晶構造を見ていきましょう。石英（SiO₂）は三方晶系に属し、六角柱を基本とした整った結晶外形を持つものを水晶と呼びます。ただし、石英の対称性は6回対称の半分である3回対称で記述できるため三方晶系に分類されますが、高温型の石英は六方晶系になります。

 

参考）http://gondwana.sci.yamaguchi-u.ac.jp/?page_id=27
​
方解石（CaCO₃）も三方晶系に属し、菱面体、犬牙状、板状などさまざまな結晶形を示します。完全なへき開性があり、菱面体に割れる特徴を持ちます。その他、石膏は単斜晶系、バナジン鉛鉱は六方晶系など、鉱物ごとに特徴的な結晶系を持っています。

 

参考）https://www.mext.go.jp/stw/common/pdf/series/mineral/mineral_words.pdf
​
金属結晶の構造としては、体心立方格子、面心立方格子、六方最密構造の3種類が主要です。配位数は体心立方格子が8、面心立方格子と六方最密構造がともに12となっており、これらの構造は金属の物理的性質に大きく影響します。

 

参考）金属結晶まとめ
​

結晶構造の確認方法とX線回折技術

結晶構造を実験的に確認する代表的な手法がX線回折法です。X線が結晶格子に入射すると回折現象を示すことを利用し、回折のピーク位置を測定することで結晶方位における格子面間隔を計算します。X線回折パターンの形状は結晶を構成する原子や分子の配列に依存するため、構造が異なれば回折角度や強度が変化します。

 

参考）Ｘ線回折装置の原理と応用
​
単結晶X線構造解析では、測定装置に試料をマウントし、回折点の検出を行います。回折点が広角（外側）まで確認できることが重要で、これは結晶面の層が分厚いことを意味し、良質な結晶であることの指標になります。近年では、粉末X線回折法を用いた構造解析も解析ソフトウェアならびに回折装置の発展により可能になっています。

 

参考）有機化学者のための単結晶X線構造解析(7)「X線回折測定」｜…
​

結晶構造が物性に与える影響

結晶構造は材料の物理的・化学的性質に決定的な影響を与えます。硬度の観点から見ると、共有結合によるガッチリとしたネットワーク構造が硬さの重要な要因です。共有結合を持つ物質は、イオン結合や金属結合を主に持つ物質よりも硬い傾向があります。

 

参考）超硬材料：「硬い」ために必要なことは - はじめよう固体の科…
​
ナノ多結晶ダイヤモンドは10-30nmのダイヤモンド粒子からなる微細な組織を有し、単結晶を凌駕する硬度を持ちます。へき開性や硬度の異方性がなく、耐熱性にも優れるため、切削工具や耐摩工具用の新しい硬質材料として注目されています。このように、結晶構造の微細化や制御が材料特性の向上に直結します。

 

参考）http://sei.jp/technology/tr/bn172/pdf/sei10532.pdf
​
金属材料においても、結晶粒径や結晶粒形状といった材料組織学的な基本因子が機械的性質に大きく影響します。結晶格子中の転位（線欠陥）は金属の様々な特性に広く影響し、転位の挙動制御が材料設計において重要になります。

 

参考）302 Found
​

結晶構造の工業応用と実用分野

結晶構造の制御は、半導体産業において極めて重要です。窒化ニオブ（NbN）は低温で超伝導体となり、量子コンピュータの心臓部となる量子ビットや、極低温で単一光子を検出する超高感度検出器などに利用されています。研究では、結晶化温度を精密に制御することで、NbNと窒化アルミニウム（AlN）半導体の結晶系を人工的に揃え、高品質な接合を作製することに成功しています。

 

参考）結晶系を揃え、原子スケールで乱れのない超伝導体／半導体の接合…
​
Si基板における結晶欠陥の制御も重要な技術課題です。積層欠陥などの結晶欠陥は、ゲート酸化膜の信頼性に影響を与えるため、その発生要因と制御方法の理解が必要です。格子間位置に入る不純物原子の制御により、半導体デバイスの特性向上が可能になります。

 

参考）https://www.tytlabs.co.jp/en/japanese/review/rev353pdf/353_051nakashima.pdf
​
金属酸化物ナノ粒子が自己組織化した超構造体であるメソ結晶も新しい応用分野として注目されています。複数の金属酸化物からなるメソ結晶は、高効率な粒子間電荷移動を示し、光電変換材料などへの応用が期待されています。

 

参考）https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2014/20140122_1
​

結晶構造データベースと研究資源

結晶構造の研究には、充実したデータベースの活用が不可欠です。Pearson's Crystal Data（PCD）は、ASM International（アメリカ金属学会）が刊行している無機材料・無機化合物の結晶構造を収録した大規模データベースです。また、Cambridge Crystallographic Databaseは、分子結晶を含めた結晶構造を探す際に便利なデータベースとして広く利用されています。

 

参考）分子構造と結晶構造の探し方 #シミュレーション - Qiit…
​
産業技術総合研究所の結晶構造ギャラリーでは、各結晶系の詳細な結晶構造図とともに、空間群、格子定数、結晶構造パラメータ、文献名などのデータが公開されています。こうしたデータベースは、新規材料の設計や既存材料の構造解析において重要な参考資料となっています。

 

参考）産総研：極限機能材料研究部門-固体イオニクス材料グループ-結…
​
オープンアクセスのCrystallography Open Database（COD）は、80,000以上の構造ファイルを収録し、無機、金属有機、小分子有機化合物の結晶構造を提供しています。研究者は、これらのデータベースを活用することで、効率的に結晶構造情報を収集し、研究を進めることができます。

 

参考）http://journals.iucr.org/j/issues/2009/04/00/kk5039/kk5039.pdf
​
Pearson's Crystal Data - 結晶構造データベースの詳細情報（ライトストーン社）
産総研 結晶構造ギャラリー - 各結晶系の構造図とデータ
新潟大学晶析工学研究室 - ブラベー格子と結晶系の解説PDF

 

 

観念結晶大系