日本名古屋大学研究生院工学研究科的竹中康司教授与其研究生门胁义史，以及冈本佳比古副教授等人组成的研究团队宣布，发现了环境亲和性高、受热收缩（负热膨胀）的新材料。通过用Mg（镁）部分取代Zn2P2O7（焦磷酸锌），在-10℃～80℃的温度范围内实现了连续的负体积变化。经确认，新材料可以取代以往的负热膨胀材料，具有与其相同或更高的性能。预计有望大幅提高电子器件等的加工精度。该材料已在外国申请专利，将从2022年初开始向企业等试供应。相关研究论文已经发表在11月16日发行的国际科学期刊《Applied Physics Letters》上。
图：焦磷酸锌Zn2P2O7的结构相变。在132℃时发生结构转变，与此同时发生剧烈的体积变化。（图片由名古屋大学提供）
一般来说，固体材料会发生热膨胀，这成为需要实现纳米级高精度的半导体器件制造和精密设备制造领域存在的一个课题。对此，业界采用了混合加热后会收缩的负热膨胀材料来控制热膨胀的方法。
作为负热膨胀材料，此前开发并利用了价格便宜且环境负荷低的β-锂霞石（LiAlSiO4），但该材料的负热膨胀度比较低。此外还开发了几种可利用伴随相变的体积变化实现数倍至数十倍的巨大负热膨胀的铋-镍氧化物等材料，但均含有昂贵的镥（Lu）和钪（Sc），或者环境负荷较高的铅（Pb），所以很少得到使用。
因此，研究团队此次探索了可用于广泛使用、价格低且环境亲和性高的元素构成的，并且容易合成的低成本新材料，由此注意到了焦磷酸锌。研究发现，焦磷酸锌只需混合并烧制就能轻松合成，在132℃时会发生结构相变，高温相的体积比低温相减小1.8％。但另一方面，这种材料在常规利用时存在体积剧烈变化和转变温度高于室温的课题。
因此，研究团队着眼于在68℃时发生结构相变的焦磷酸镁（Zn2P2O7），想通过用Mg取代部分Zn，在室温下实现体积变化。
最终，通过研究取代的量确认，用20％的Mg取代了Zn的化合物（Zn2-xMgxP2O7）在包括室温在内的-10℃～80℃的温度范围内，可实现线性膨胀系数超过-60ppm/℃的巨大负热膨胀。
研究团队新开发的负热膨胀材料为白色，还成功制成了1μm左右的微颗粒。只需在常压下烧制，非常简单就能合成。新材料是以锌、镁、磷等资源丰富且价格低廉的元素为主要成分的氧化物，环境亲和性比较高。负热膨胀性能与巨型负热膨胀材料铋-镍氧化物相同或更高。
研究团队在使其与环氧树脂相结合的实验中确认，可以控制环氧树脂的巨大热膨胀。
通过利用该材料控制热膨胀，有望提高器件和系统的功能及性能稳定性，还可以延长使用寿命。
目前研究团队正进行技术转让，预定成立初创企业。明年年初将开始由大学向企业等进行试供应。同时还将研究应用于产品时的混合率等基础内容。
竹中教授表示：“我们最期待的是在电子器件领域的应用。此次发现的受热收缩材料可以控制热膨胀，有望在各个领域提高产品的功能和性能稳定性，并延长使用寿命。我们相信这将有助于社会的可持续发展。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
