セラミック共晶系の化学蒸着による新規固体の3Dパターン生成

2023 年 6 月 26 日

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横浜国立大学による

金属とセラミックスの共晶構造は、複数の固相が液相から凝固するときに発生し、自己組織化現象によって三次元 (3D) パターンを形成します。 従来、共晶構造は溶融凝固プロセスを通じてのみ得られると考えられていました。

横浜国立大学 (YNU) の研究者らは、前駆体ガスを反応させ、YAG (イットリウム アルミナ ガーネット) とアルミナ セラミックの共晶系で規則的な構造を持つ固体複合材料を生成できる化学蒸着 (CVD) プロセスを開発しました。

彼らの研究では、アルミニウムが豊富な条件下で、サファイアウェーハ上のアルミナマトリックス内で、空間的に規則的に棒状および層状のYAG結晶が成長するのを観察した。 逆に、Y が豊富な条件下では、YAG マトリックスを含む規則正しいアルミナ結晶の成長が観察されました。 サファイア種結晶の選択と前駆体の組成によって 3D パターンが決まりました。 溶融固化プロセスと比較して、CVD プロセスでは、そのようなパターンを生成できる化学組成の範囲が拡大しました。

YAG とアルミナを化学的に堆積させた共晶体には、追加の希土類元素をドープして、発光中心として機能させることができます。 たとえば、セリウムイオンは青色 LED で照射されると黄色の光を放出し、固体照明用の白色光を生成します。 ユウロピウム イオンは、半導体デバイスを通過する X 線にさらされると、X 線撮影用に赤色の光を放出します。 「私たちの実験は、YAG-アルミナ化学堆積共晶体の耐環境性LED照明や高解像度X線イメージングとしての応用の可能性を示しています」と、この研究の筆頭著者である三橋有里氏はYNU大学院生時代にこの実験を行ったと述べている。

アルミナは、堅牢な耐火セラミック材料として長い間認識されており、構造部品や光学部品に一般的に使用されています。 希土類アルミニウム ガーネットやペロブスカイトなどのアルミン酸塩は、レーザー、蛍光体、エネルギー材料などの機能性セラミック材料として広く研究されています。

「アルミン酸塩の中でも、希土類アルミニウムのガーネットとペロブスカイトは魅力的な特性を持っており、幸いにもアルミナとの共晶系を持っています」と、博士課程在学中に実験室製の X 線画像システムを構築した松本祥源氏は言う。 大学で。 「アルミナとアルミン酸塩の長所を併せ持った、新しい結晶が合成できる」と述べた。

この発見は、セラミック共晶複合材料における 3D パターンの生成が溶融凝固プロセスだけでなく、蒸着プロセスを通じても発生する可能性があることを強調しています。 「CVD は、基板材料上の機能層または保護層としてセラミック共晶複合材料を作成する準備ができています」と、YNU 准教授で主任研究者の伊藤明彦氏は述べています。

「対照的に、基板上にセラミック複合コーティングを形成するために摂氏2,000度を超える高温の溶融物を注ぐ必要がある溶融凝固プロセスは非現実的です。さらなる研究は、化学的に堆積された共晶の背後にあるメカニズムの解明に焦点を当てます。」と伊藤氏は述べた。

この研究結果は、Journal of the American Ceramic Societyに掲載されています。

詳しくは：ユリ・ミツハシ他、YAG-アルミナ共晶系における規則構造の化学気相成長、Journal of the American Ceramic Society (2023)。 DOI: 10.1111/jace.19176