科學研究 - 兩種機制同時作用，強化新材料的「熱縮」性能

日本東京工業大學科學技術創成研究院前緣材料研究所的研究生西久保匠、特定助教酒井雄樹與教授東正樹等人組成的研究團隊發現，在鎳酸鉍（BiNiO₃）和鐵酸鉍（BiFeO₃）固溶體中，伴隨金屬間電荷轉移和極性-非極性別轉換這兩種不同的現象同時發生，材料受熱收縮的「負熱膨脹」性能會強化。

負熱膨脹材料用於製作零熱膨脹物質，在光通訊和半導體製造裝置等需要精準定位的場合，用來消除材料的熱膨脹。此次的成果有助於設計出特性更加穩定的負熱膨脹材料。

相關研究論文已於11月18日發表在美國化學學會的期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）的網路版上。

本研究針對鉍鎳鐵氧化物（BiNi_1-xFe_xO₃，參考）的固溶體，進一步詳細解析了增加鐵置換量後的晶體結構和電子狀態變化。研究團隊製作了鎳酸鉍和鐵酸鉍的固溶體「BiNi_1-xFe_xO₃」，透過產生二次諧波成分、利用大型同步輻射設施SPring-8的光束線BL02B2實施同步輻射X射線繞射實驗、對BL22XU的同步輻射X射線總散射資料實施PDF分析，並結合BL09XU的硬X射線光電子能譜實驗，進行了解析。

解析結果顯示，當0.05 ≤ x ≤ 0.15（x爲鐵置換量）時，僅觀測到了鉍與鎳之間的電荷轉移引起的負熱膨脹；而當0.20 ≤ x ≤ 0.50時，不僅出現電荷轉移，還發生了與鈦酸鉛（PbTiO₃）一樣的從極性到非極性的晶體結構轉換，因此負熱膨脹性能得到強化（圖1）。

圖1：BiNi_1-xFe_xO₃的負熱膨脹機制。0.20 ≤ x ≤ 0.50時，位點間的電荷轉移與極性-非極性別轉換同時發生，由此負熱膨脹性能強化。

在BiNi_1-xFe_xO₃的鐵置換中，由於是用3價穩定的鐵置換低溫下2價穩定的鎳，因此，隨着鐵置換量的增加，有助於電荷轉移的低溫相Ni²⁺的量會減量。因此，從低溫相向高溫相變化時的體積收縮率在x=0.05時爲2.8％，而x=0.15時減至2.5％（圖2）。按照這個減量速度，預計x=1.0時，負熱膨脹引起的體積收縮就會消失。但實際上，0.20≤ x ≤0.50時，由於極性-非極性別轉換與電荷轉移同時發生，負熱膨脹效果得到了強化，儘管鐵置換量增加，但體積收縮率依然保持在2％（圖2）。即使改變鐵置換量，體積收縮率也保持不變，這意味着負熱膨脹材料特性穩定。