日本名古屋大學研究生院工學研究科的竹中康司教授與其研究生門脅義史，以及岡本佳比古副教授等人組成的研究團隊宣佈，發現了環境親和性高、受熱收縮（負熱膨脹）的新材料。透過用Mg（鎂）部分取代Zn2P2O7（焦磷酸鋅），在-10℃～80℃的溫度範圍内實施了連續的負體積變化。經應答，新材料可以取代以往的負熱膨脹材料，具有與其相同或更高的性能。預計有望大幅提高電子器件等的加工精度。該材料已在外國申請專利，將從2022年初開始向企業等試供應。相關研究論文已經發表在11月16日發行的國際科學期刊《Applied Physics Letters》上。
圖：焦磷酸鋅Zn2P2O7的結構性相變。在132℃時發生結構轉變，與此同時發生劇烈的體積變化。（圖片由名古屋大學提供）
一般來說，固體材料會發生熱膨脹，這成爲需要實施奈米級高精度的半導體元件製造和精密設備製造領域存在的一個課題。對此，業界採用了混合加熱後會收縮的負熱膨脹材料來控制熱膨脹的方法。
作爲負熱膨脹材料，此前開發並利用了價格便宜且環境負荷低的β-鋰霞石（LiAlSiO4），但該材料的負熱膨脹度比較低。此外還開發了幾種可利用伴隨相變的體積變化實施數倍至數十倍的巨大負熱膨脹的鉍-鎳氧化物等材料，但均含有昂貴的鑥（Lu）和鈧（Sc），或者環境負荷較高的鉛（Pb），所以很少得到使用。
因此，研究團隊此次探索了可用於廣泛使用、價格低且環境親和性高的元素構成的，並且容易合成的低成本新材料，由此注意到了焦磷酸鋅。研究發現，焦磷酸鋅只需混合並燒製就能輕鬆合成，在132℃時會發生結構性相變，高溫相的體積比低溫相減小1.8％。但另一方面，這種材料在常規利用時存在體積劇烈變化和轉變溫度高於室溫的課題。
因此，研究團隊着眼於在68℃時發生結構性相變的焦磷酸鎂（Zn2P2O7），想透過用Mg取代部分Zn，在室溫下實施體積變化。
最終，透過研究取代的量應答，用20％的Mg取代了Zn的化合物（Zn2-xMgxP2O7）在包括室溫在内的-10℃～80℃的溫度範圍内，可實施線性膨脹係數超過-60ppm/℃的巨大負熱膨脹。
研究團隊新開發的負熱膨脹材料爲白色，還成功製成了1μm左右的微顆粒。只需在常壓下燒製，非常簡單就能合成。新材料是以鋅、鎂、磷等資源豐富且價格低廉的元素爲主要成分的氧化物，環境親和性比較高。負熱膨脹性能與巨型負熱膨脹材料鉍-鎳氧化物相同或更高。
研究團隊在使其與環氧樹脂相結合的實驗中應答，可以控制環氧樹脂的巨大熱膨脹。
透過利用該材料控制熱膨脹，有望提高器件和系統的功能及性能穩定性，還可以延長使用壽命。
目前研究團隊正進行技術轉移，預定成立初創企業。明年年初將開始由大學向企業等進行試供應。同時還將研究應用於產品時的混合率等基礎内容。
竹中教授表示：「我們最期待的是在電子器件領域的應用。此次發現的受熱收縮材料可以控制熱膨脹，有望在各個領域提高產品的功能和性能穩定性，並延長使用壽命。我們相信這將有助於社會的永續發展。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
