再構成型相転移を利用した巨大負熱膨張物質の開発ー鉛を含まない負熱膨張物質で最大の体積収縮ー

2026-09-04 東京科学大学

東京科学大学の研究グループは、ペロブスカイト型酸化物BiCoO₃を母物質とし、ビスマスをランタノイド元素で置換することで、鉛を含まない巨大負熱膨張材料を開発した。温度上昇に伴って結晶構造が極性正方晶から非極性直方晶へ変化する「再構成型相転移」を利用し、最大6.1%の体積収縮を実現した。これは非鉛の負熱膨張材料として最大の体積収縮率である。放射光X線回折により相転移を解析した結果、CoO₅ピラミッド型構造からCoO₆八面体構造への変化が大きな体積収縮をもたらすことが判明した。従来最大だったPbVO₃系材料は9.3%収縮する一方、有害な鉛を含むことが課題だった。今回の材料は半導体製造装置や光通信・光学機器などで、熱膨張による位置ずれや異種材料界面の剥離を抑制する用途が期待される。また、相転移が可逆的であることから、さらなる高性能化も見込まれる。

再構成型相転移を利用した巨大負熱膨張物質の開発ー鉛を含まない負熱膨張物質で最大の体積収縮ー
図1. コバルト酸ビスマスBiCoO3の圧力下での結晶構造の変化。CoO5ピラミッド型5配位の極性正方晶構造から、CoO6八面体6配位の非極性直方晶構造への構造相転移により、13%の巨大体積収縮が生じる。

<関連情報>

鉛フリー Bi 1− x Ln x CoO 3 ( Ln : ランタノイド)における可逆的な再構成相転移によって誘発される 6.1% の体積負熱膨張 6.1% Volumetric Negative Thermal Expansion Induced by the Reversible Reconstructive Phase Transition in Pb-Free Bi1−xLnxCoO3 (Ln: Lanthanoid)

Yuki Sakai, Kazuki Takahashi, Shogo Wakazaki, Takumi Nishikubo, Jun Miyake, Takehiro Koike, Teppei Nagase, Takafumi Yamamoto, Kano Hatayama, Masaichiro Mizumaki, Masaki Azuma
Advanced Science  Published: 03 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.77022

ABSTRACT

Negative thermal expansion (NTE) materials, which can compensate for the thermal expansion of structural materials, have attracted much attention in the field of nanoscale electronics and optical devices requiring precise positioning. The present paper demonstrates a reversible colossal NTE in the perovskite-type oxide lanthanoid-substituted BiCoO3. The 6.1% volume shrinkage in Bi0.82Nd0.18CoO3 is the largest ever observed in Pb-free NTE materials. Synchrotron X-ray diffraction and Co L-edge soft X-ray absorption spectroscopy measurements and machine learning force field molecular dynamics simulations confirm that the origin of the NTE is the coordination change from the CoO5 pyramid with high-spin Co3+ to the CoO6 octahedron with the LaCoO3-type Co3+ spin state (intermediate-spin state or mixture of high-spin and low-spin states) due to melting of the dxy orbital ordering in the d6 electron configuration. The NTE properties as functions of ionic radius and concentration of substituting Ln ions are well explained by the nucleation mechanism of the reconstructive martensitic phase transition. The present results offer a new strategy for developing large-NTE materials.

0703金属材料
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