ペロブスカイト構造・とは？中学生にもわかる基礎と最新の応用を解説共起語・同意語・対義語も併せて解説！

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高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

ペロブスカイト構造・とは

ペロブスカイト構造とは、材料科学で広く使われる結晶の一種で、一般式 ABX3 と表されます。Aサイトには大きな陽イオン、Bサイトには小さな金属陽イオン、Xには酸素や卤素の陰イオンが入り、これらの粒子が BX6 の正八面体を角を共有して三次元ネットワークを作ります。

この構造は鉱物名の ペロブスカイト に由来します。元々 CaTiO3 がその代表例として知られ、組成を変えることで多様な材料を作ることができる点が特徴です。

ABX3 の説明を身近な例に置き換えると、Aは大きな薬剤カプセル、Bはその中心の核、Xは周囲を取り囲む小さな粒子のようなイメージです。これらが規則正しく並ぶと、電子が動く道が生まれ、電気をうまく伝えやすくなります。

結晶の形と対称性

多くのペロブスカイトは立方対称性を持ちますが、実際には温度や化学組成の影響で形が変わることもあります。Aサイトの大きさとXの陰イオンの大きさが調和していると安定な構造になりやすいです。

トレランス因子と安定性

ペロブスカイトの安定性は トレランス因子 と呼ばれる指標でおおよそ予測できます。式は t = (rA + rX) / sqrt(2) (rB + rX) となり、t が約 0.8 から 1.0 の範囲にあると安定なペロブスカイトが形成されやすいとされています。実際には rA、rB、rX の具体的な値により範囲が変わります。

実例と応用

古典的な酸化物ペロブスカイトの例として CaTiO3 があります。近年話題になるのは有機－無機ハイブリッドのペロブスカイトで、式は MAPbI3 のように表されます。これらは太陽電池、LED、光検知器など多様なデバイスに用いられ、作製方法もスプレー塗布や溶液キャストなどで容易です。

組成を変えると性質も変わり、X を I や Br に、B を Pb 以外の金属に、A に有機イオンを導入するなどの置換が可能です。これによってバンドギャップや安定性が調整され、太陽電池だけでなくセンサーや触媒といった幅広い分野へ拡がっています。

課題と展望

一方で湿潤安定性の課題、鉛の毒性、長期耐久性、デバイスのヒステリシスなどは現在も研究の焦点です。研究者は新しい組成設計、封止技術、界面設計を通じてこれらの課題を克服しようとしています。

表で見るポイント

一般式	ABX3
基本構造	BX6 の正八面体が角を共有
A	大きな陽イオン
B	小さな陽イオン
X	酸素または卤素の陰イオン

このようにペロブスカイト構造は材料科学の基礎的な概念であり、組成の違いによって機能が変わるため、現代の科学技術の多くの分野で重要な役割を果たします。本文では初心者にも理解しやすいように基本的な点を押さえ、太陽電池などの実用例にも触れました。

ペロブスカイト構造の同意語

ペロブスカイト構造: 特定の三次元の結晶配列を指す名称。一般に ABX3 型の化学式をとり、中心の B サイトが八面体配位の構造を作ることで特徴づけられます。代表例は CaTiO3。
ペロブスカイト型構造: ペロブスカイトの特徴的な三次元ネットワークを表す表現。ABX3 型結晶構造の総称として使われます。
ペロブスカイト結晶構造: 結晶内の原子の並び方（結晶の構造）を指す言い方。ペロブスカイト独特の対称性と配位を含みます。
ペロブスカイト格子: 原子が規則正しく並ぶ格子のこと。ペロブスカイト特有の格子配列を指します。
ペロブスカイト晶格: 格子を意味する語。結晶格子の名称として使われます。
ABX3型結晶構造: 化学式が ABX3 の結晶構造を表現する呼び方。ペロブスカイトはこの型をとることが多いです。
ABO3型結晶構造: 酸化物ペロブスカイトなど、XO3 が酸素で表される場合の表現。ペロブスカイトの一例として使われます。
CaTiO3型構造: CaTiO3 を代表例とするペロブスカイト構造のモデル。多くの酸化物ペロブスカイトはこの型を基準に説明されます。
ペロブスカイト相: 同じ組成でも温度・圧力条件で構造が変わることがあり、そのうちペロブスカイト構造に相当する段階を指します。
ペロブスカイト格子構造: 格子そのものの構造を指す表現。立体的な原子配列がペロブスカイトであることを示します。

ペロブスカイト構造の対義語・反対語

非ペロブスカイト構造: ペロブスカイトと呼ばれる ABX3 の結晶構造ではない、別の結晶構造を指す対義語的概念。
アモルファス構造: 長距離秩序がなく、結晶格子が規則的に並んでいない状態。ペロブスカイトのような整った結晶とは対照的。
2D層状構造: 層状に2次元方向へ連結する構造で、3Dの連結三次元ネットワークを持つペロブスカイトとは異なる。
低対称性結晶構造: 対称性が低い結晶構造。ペロブスカイトの高い対称性と対比される表現。
高対称性結晶構造: 立方晶などの高い対称性を持つ結晶構造。ペロブスカイトが持つことの多い高対称性と対比する概念。
1D/0D連結構造: 連結が1次元や0次元に制限されるような構造で、3D連結のペロブスカイトとは異なる。
層間結合が弱い層状構造: 層状構造の中で層間の結合が弱く、3次元の連結を持たないもの。ペロブスカイトの強固な3D連結と対比。

ペロブスカイト構造の共起語

ペロブスカイト構造: ABX3 型の結晶構造で、A位陽イオン、B位金属陽イオン、X位ハロゲン陰イオンが特定の位置に配位する、代表的な半導体結晶構造です。
ABX3: ペロブスカイトの一般式。Aサイト、Bサイト、Xサイトにそれぞれ異なるイオンが入り、結晶の安定性や性質を決めます。
A-site陽イオン: A位には比較的大きな陽イオンが入り、材料の安定性・結晶性に影響します。例として MA+、FA+、Cs+ が挙げられます。
B-site陽イオン: B位には金属陽イオンが入り、通常は Pb2+ や Sn2+ が使われ、半導体特性を決定づけます。
X-site陰イオン: X位にはハロゲン陰イオンが入り、I−、Br−、Cl− などが使われ、光学特性や安定性に影響します。
有機-無機ハイブリッドペロブスカイト: 有機陽イオンと無機塩の組み合わせからなるペロブスカイト。例: MAPbI3、FAPbBr3。
無機ペロブスカイト: 陽イオンが無機であるペロブスカイト。例: CsPbI3、CsPbBr3。
有機ペロブスカイト: A-site に有機陽イオンを用いたペロブスカイト。
鉛ペロブスカイト: Bサイトに Pb2+ を用いたペロブスカイト。高効率太陽電池の代表例として MAPbI3 など。
スズペロブスカイト: Bサイトを Sn2+ に置換したペロブスカイト。鉛の代替材料として研究が進む。
ハロゲン化物ペロブスカイト: Xサイトが I−/Br−/Cl− のハロゲン化物で構成されるペロブスカイト。
I- Br- Cl- ペロブスカイト: Xサイトのハロゲン組成の違いにより bandgap や安定性が変化します。
バンドギャップ: 価電子帯と伝導帯のエネルギー差。ペロブスカイトの光吸収・発光の基本指標です。
光吸収: 光を吸収して電子を励起させる性質。太陽電池の初期動作に直結します。
光致発光 / PL: 光を当てたときに材料が放つ発光。品質評価の指標として用いられます。
太陽電池: ペロブスカイト材料を使った太陽電池デバイス。高い変換効率が注目されています。
薄膜デバイス: ペロブスカイトを薄膜として積層・実装するデバイス群。
溶液法: 溶液からペロブスカイト薄膜を作る方法。低コスト・スケールアップの鍵。
スピンコーティング: 溶液を回転させて均一な薄膜を形成する代表的手法。
X線回折 / XRD: 結晶構造を解析する基本測定法。相同定・格子定数の算出に用います。
結晶格子 / 結晶格子定数: 原子の規則的な配列と、それを表す格子定数。物性の基本プロパティ。
相転移: 温度や組成の変化に伴う相の変化。ペロブスカイトの安定性評価に重要です。
室温相 / tetragonal 相 / cubic 相: 室温での典型的な結晶相。相が変わると光学・電気的特性が変化します。
Goldschmidt 容量ファクター（許容因子）: 結晶構造の安定性を予測する指標。t の近似値が 0.8–1.0 程度で安定性が高いとされます。
欠陥密度: 材料中の欠陥の量。キャリアの再結合・散乱に影響します。
界面エネルギー / キャリアトラップ: 界面でのエネルギー変化やキャリアの局在化がデバイス性能を左右します。
キャリア移動度: 電子・正孔が材料中を移動する速さ。高い移動度はデバイスの効率向上につながります。
置換反応 / カチオン置換 / アニオン置換: A-site/B-site/X-site の置換による性質・安定性の調整手段。
環境・安全性観点: 鉛含有材料の環境影響や長期安定性・有機溶媒の安全性などを検討する観点。
デバイス構造: 太陽電池・発光デバイスなどの層構成とインターフェース設計全般。

ペロブスカイト構造の関連用語

ペロブスカイト構造: ABX3（酸化物は ABO3 など）の結晶構造。BX6 八面体が角を共有して立体網を作り、A-site の大きい陽イオンが空洞を占めて全体を安定化します。立方晶・四方晶・直方晶などの対称性があり、温度や組成で相転移します。
ABX3 型化合物: Aサイトに大きな陽イオン、Bサイトに小さな金属イオン、Xサイトにハライドや酸化物イオンを置く化合物の一般式。ペロブスカイトとして知られる代表的な組成です。
BX6 八面体: B посイオンを中心に6つのXイオンが配置して作る八面体。これが角を共有して3次元のネットワークを形成します。
A-site カチオン: 大きめの陽イオン（例: MA+, FA+, Cs+ など）で、ペロブスカイトの空洞を満たして結晶を安定化します。
金属ハライドペロブスカイト: X が I-, Br-, Cl- のハライド、B が Pb2+ など、A が有機/無機カチオンの組み合わせ。太陽電池などで使われる代表材料です。
有機-無機ハイブリッドペロブスカイト: A サイトに有機カチオン、B サイトに金属イオン、X サイトにハライドを入れたペロブスカイト。加工性と性能のバランスが良いとされます。
3Dペロブスカイト: BX6 八面体が3次元に連結して立体網を作るペロブスカイト。薄膜太陽電池の主流材料群です。
2Dペロブスカイト: 層状のペロブスカイトで、層間に大きな有機カチオンを挟む構造。湿気や水分に対する安定性を重視して研究されています。
Ruddlesden–Popper (RP) 型: 層状ペロブスカイトの代表的フォーマット。層の数を制御して2D と3Dの中間的特性を作り出します。
Goldschmidt 容量因子 (Tolerance Factor): t = (r_A + r_X) / (√2 (r_B + r_X)) でペロブスカイトの安定性を予測する指標。1付近に近いと安定な3Dペロブスカイトになりやすいと考えられます。
結晶相転移: 温度や組成の変化で結晶の対称性が変わる現象。立方相、四方晶相、直方晶相などへ移行します。
直接バンドギャップ: ペロブスカイトは多くの場合直接ギャップを持ち、光をその場で効率よく吸収・発光します。
高い吸収係数: 薄膜でも広い範囲の光を強く吸収できる性質。薄膜太陽電池に適しています。
長いキャリア拡散長: 光で生じた電子と正孔が材料中を長く移動でき、電荷を端まで運びやすい点が利点です。
X-site ハライドイオン: I-, Br-, Cl- など。組成を決める要素で、帯域・安定性に影響します。
B-site 金属イオン: Pb2+ や Sn2+ など。電子構造と安定性の要を担います。
A-site 有機/無機カチオン: MA+, FA+, Cs+ など。結晶サイズや安定性を左右します。
ペロブスカイト太陽電池 (PSC): ペロブスカイト材料を用いた太陽電池。高い吸収と長いキャリア長を活かして高効率を目指します。
光デバイスとしての応用: LED、レーザー、光検出器など、光半導体デバイス全般に適用されます。
イオン移動: 結晶内の I− などのイオンが動く現象。ヒステリシスや長期安定性の問題につながります。
水分安定性・湿度安定性: 水分で分解しやすい点が課題。封止や構造設計で改善を図ります。
熱安定性: 高温条件での分解・変化を抑えること。添加剤や層構成で改善します。
溶液プロセス: スピンコーティングなどの液相成長法。低温・低コストで膜を作れる利点があります。
蒸着法: 蒸着で薄膜を作る製法。均一性・再現性の向上に寄与します。
層状/2D-3Dハイブリッド設計: 2D層と3D層を組み合わせ、安定性と性能の両立を狙う設計手法。
結晶構造の空間群: Pm-3m、I4/mcm、Pnma など、結晶の対称性を表す表現。温度・組成で変化します。
octahedra tilting (八面体の歪み): BX6 八面体の回転・歪みによる構造変化。相転移や性質に大きく影響します（Glazer 表記で表すことが多い）。
鉛含有の環境・安全性: Pb を含むことが多く、環境・健康への影響が懸念されます。Pbフリー材料の研究が進んでいます。
Sn（スズ）置換・Pbフリー化: Pb を Sn などで置換する取り組み。酸化や安定性の課題があり研究が盛んです。
代替材料の研究: Ge、Bi などを含む新規ペロブスカイトの開発や無機系の検討も進んでいます。
計算化学・DFT: 密度汎関数法などの計算を使い、バンド構造・欠陥・安定性を予測します。
封止・安定化戦略: 湿気・酸素・熱から protecting する封止層や添加剤、二次相の活用など、長期安定性を高める対策です。