窒素を含む機能性セラミックス

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窒素を含む機能性セラミックス

大学院工学研究院・大学院総合化学院 教授

吉川

き っ か わ

信一

し ん い ち

(工学部応用理工系学科応用化学コース)

専門分野 : 無機材料化学,固体化学,結晶化学

研究のキーワード : セラミックス,機能性物質,無機合成化学

HP アドレス : http://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/strchem/

世界の役に立つ物質を作ってみたい

皆さんが大学で勉強するのはなぜですか。私はいろいろな自然現象がなぜ起こるのかを 知りたい、また何か新しい物質を作ってみたいと思いました。大阪大学の理学部化学科に

1970年に入学しましたが、卒業研究をするなら人の役に立つものを合成してみたいと、大

阪大学の附置研究所である産業科学研究所のセラミックスの研究室に入れていただきま した。そこでは鉱物学、岩石学や結晶化学に基づいて新しい無機材料を合成する、当時と しては先進的な取り組みが行われていました。生命の起源との関連も議論される粘土鉱物 の層間にアミノ酸などの有機化合物が可逆的に取り込まれる現象を、今風の言葉ではイン タカレーション、しかし当時はそんな言葉もなく粘土―有機複合体と呼んでいました。層 状の結晶構造を持つ様々な無機化合物を合成して、

その層間にピリジンなどの有機化合物を取り込ませ てできるインタカレーション化合物の合成と物性に 関する卒業研究をしました。この研究ではその後も いろいろな努力が重ねられ、現在われわれがリチウ ムイオン電池として利用している電極反応および電 極材料に発展しています。最初は魚釣りのウキ用の 電源程度でしたが、今や電気自動車用をはじめ様々 な電源として活躍が期待されている姿を見ると、大 きくなった息子か孫の成長を見守るような気持ちで す。

大気の主成分;窒素を使おう

酸素は大気の1/5しかありませんが、酸化物が熱力学的には安定なために地球上に存在す る大部分の物質は酸化物です。鉱物や岩石は金属酸化物であり、これらを精製して原料と し多くのセラミックスは高温で合成され、焼結して使われます。周期律表で酸素の隣に位 置する窒素は大気の主成分であるにも関わらず、人を窒息させる厄介者として酸素ほどに は重用されていません。資源的に豊かな窒素を有効に利用したいものです。金属窒化物は 酸化物に比べると熱的に不安定ではあるものの、高い機能性の宝庫です。窒化ケイ素では シリコンと窒素との化学結合が強固で耐熱性が高く、自動車用のエンジン部材や白色LED 用の蛍光体などの機能性セラミックスに利用されています。遷移金属であるチタンの窒化

図1 車載用リチウムイオン電池 (出典)

http://carlifenavi.com/article/detail/151282 出身高校:大阪府立北野高校 最終学歴:大阪大学大学院理学研究科 マテリアル

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物は耐熱性や耐食性に優れるところから、様々な工 具などの被覆材料として使われています。自動車な どで無数に用いられているモータを小型化する必要 性から、強力な磁石が求められます。ネオジム(ジ スプロシウム)・鉄・ホウ素磁石が使われていますが、 希土類資源が偏在するために、希土類元素を使わな い強力磁石が必要とされています。鉄窒化物Fe16N2 は、α-Feを凌ぐ大きな飽和磁化をもつと言われてき ました。鉄はチタンよりも多くの3d電子をもつとこ ろから、Fe16N2はさらに熱的に不安定なため単一相

は合成できず、その詳細が不明でした。2000年に北海道大学に転勤して以来、われわれは

100℃程度の低温でアンモニア窒化することによって、Fe16N2を高収率で再現性よく合成

でき、その高い機能性を利用する方法を発見しました。

酸素と窒素が共存する酸窒化物

酸化物と窒化物イオンの電荷、および金属イオンとの間の化学結合のイオン性-共有性 が大きく異なるところから、両陰イオンが共存する酸窒化物にはさらに様々な高い機能性 を期待できます。バンドギャップが酸化物に比べ

て小さくなるところから、可視光応答性の光触媒 や、鉛などの有害元素を含まない無害な顔料とし て期待されています。金属窒化物において3価の 窒化物イオンを2価の酸化物イオンで置換すると、 電気的な中性を保つために陽イオンの格子欠損を 生じます。格子欠陥を介した高い陽イオン伝導性 が期待され、全固体リチウムイオン電池への夢が 膨らみます。酸窒化物の含む酸素が増すほど化合 物におけるイオン結合性が増すところから、酸窒 化物蛍光体の発光は高エネルギー側へシフトしま す。さらに両陰イオンが共存する酸窒化物では、 金属陽イオンの周りの配位多面体に幾何異性が生 じます。このように局所的な極性をもつSrTaO2N では分極を生じ、大きな比誘電率を持つ誘電体セ ラミックスとなることを明らかにしました。結晶 構造中での局所的な分極構造は、結晶中の磁性や 電気および光応答性と連動して新たな機能性を生 み出す可能性があります。機能性セラミックスと して世界に役立つことを目指して、世界の一流大 学や民間企業との共同研究が進んでいます。

図2 ネオジム磁石によるネオキューブ (出典)

http://sulajji.blog.so-net.ne.jp/2010-03-08

図3 ユーロピウムをドープした新規な酸窒化物蛍 光体β-Si

6-z Al

z O

z N

8-z の発光

図4 新規酸窒化物誘電体SrTaO 2

Nセラミックス。 静電容量から見積もられる誘電率ε

r は約6000と、 鉛を含む既存材料に匹敵する。

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参照

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