硬い透明セラミックス、シリコンと窒素から合成：ダイヤモンドを上回る耐熱性

16万気圧、1800℃の条件で合成

　東京工業大学（東工大）は2017年3月、シリコン（ケイ素、Si）と窒素（N）の原子が結合した化合物から、硬い透明セラミックスを合成することに成功したと発表した。開発した物質は全物質中で3番目の硬さを持ち、耐熱性はダイヤモンドを上回る。

　今回の研究は、東工大科学技術創成研究院フロンティア材料研究所の西山宣正特任准教授（研究実施時はドイツ電子シンクロトロン研究員）と若井史博所長らを中心に、日独共同研究グループ（東工大、ドイツ電子シンクロトロン、物質・材料研究機構、バイロイト大学、東大、愛媛大）が行った。

　Si原子とN原子が3対4の割合で結合した窒化ケイ素（Si₃N₄）は、「硬く、割れにくく、高温に耐えられる」ことから、自動車エンジンやガスタービン内部の部品など構造用セラミック材料として用いられている。また、これらの物質は圧力や温度など周囲条件によって原子の並び方が変わる「構造相移転」と呼ばれる現象が生じる。これによって、例えば不透明だったセラミックスが透明に変わる。Si₃N₄も極めて高い圧力と高温の条件で、「スピネル型Si₃N₄」に相移転することがこれまで報告されていた。

　研究グループは今回、ダイヤモンドの合成などに用いられる高温高圧発生装置を使い、16万気圧、温度1800℃の条件でスピネル型Si₃N₄を合成した。この結果、緻密で透明なスピネル型Si₃N₄多結晶体が得られた。透明度はレンズや窓材に用いられる光学部品と同等だという。透過型電子顕微鏡で観察したところ、平均粒径が約150nmのスピネル型Si₃N₄は、ランダムな方向で焼き固まったナノ多結晶体であることが分かった。

左はスピネル型窒化ケイ素の透明多結晶体の外観、右はスピネル型窒化ケイ素・透明多結晶体の透過型電子顕微鏡写真 出典：東京工業大学

　合成した物質の硬さを測定した。B₄CやB₆Oといったホウ素化合物と同程度の硬さとなり、全物質中でもダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素に次ぐ、3番目に硬い物質の1つであることが分かった。しかも、これら硬質物質の中で光学的に透明なナノ結晶体となるのは、スピネル型Si₃N₄とダイヤモンドのみである。

主な物質のビッカース硬さとずり弾性率の特性。★印はそのナノ多結晶体が透明になる物質 出典：東京工業大学

　スピネル型Si₃N₄は耐熱性にも優れている。空気中で1400℃と極めて高い温度まで存在することができる。これに対してダイヤモンドは、700〜800℃で黒鉛化及び酸化が起こるという。これらの結果から、スピネル型Si₃N₄透明セラミックスは、透明で硬く、耐熱性に優れた物質であることが分かった。

　研究グループによると、Si₃N₄は結晶構造の中に、酸素やアルミニウム、あるいはイオン半径の大きな希土類元素といった、さまざまな元素を加えることができるという。多様な化学組成のSi₃N₄セラミックスをスピネル構造とすることで、半導体としての利用や蛍光体などへの応用など、その可能性が拡がるとみている。