窒化ホウ素ガイド：特性、構造、用途

1 はじめに

チップの高速化とデバイスの高耐久化を追求する中で、極限環境下での熱ボトルネックや材料の不具合は克服できない障害となっている。航空宇宙、原子力、ハイエンド製造などの業界では、高温、高圧、強い腐食、強い放射線などの極限環境下で安定した材料を求めてきた。グラフェンや炭化ケイ素が注目されるようになって久しいが、もうひとつの化合物である窒化ホウ素（BN）は、そのユニークな構造特性でこうした課題に静かに取り組んでいる。

スーパーコンピューターのチップをフルスピードで動作させる放熱コーティングとして、摂氏数千度を超える温度からロケットエンジンをシールドする保護層として、急冷鋼を加工するダイヤモンドよりも硬い工具材料として、さらには核放射線を検出するための重要な材料として。BNは、高温安定性、極めて高い断熱性、超高熱伝導性、超硬度耐摩耗性、化学的不活性を兼ね備えた万能材料である。

これらの卓越した用途を支えているのは、BNの複雑な結晶構造（同素体）とその性能の間にある深い構造と特性の関係である。本稿では、窒化ホウ素がどのようにして原子配列から奇跡を起こすのかを掘り下げ、その様々な形態（六方晶h-BNや立方晶c-BNなど）の性能の秘密を明らかにし、その調製技術の中核となる課題を概説し、将来のエネルギー、情報、製造分野における重要な課題に対処するための計り知れない可能性を探る。

図1 ロケットエンジンにおけるBNの応用

2 概念と材料構造

窒化ホウ素（BN）は、ホウ素（B）原子と窒素（N）原子が1：1の割合で結合した二元共有結合化合物である。B-N結合は強い共有結合性と大きな極性（電気陰性度の差≈1.0）を示し、結合エネルギーはC-C結合を上回り、この材料の高い安定性の基礎を確立している。BNのユニークな価値は、その豊富な同素体特性に由来する。つまり、原子配列の違いが巨視的特性の根本的な変化につながるのである。

六方晶窒化ホウ素（h-BN）は最も一般的な形態で、グラファイトのような層状構造を特徴とする。ホウ素原子と窒素原子はsp2混成によって六方環を形成し、層間結合はファンデルワールス力によって維持される。この構造がh-BNに高い異方性を与えている。面内方向は優れた熱伝導率（約400W/m・K）、機械的強度、ワイドバンドギャップ絶縁特性（～6eV）を示す一方、層間の弱い相互作用が超低摩擦係数（0.03～0.1）と高温潤滑性を与え、1000℃以上の空気中で安定した状態を保つ。

一方、立方晶窒化ホウ素（c-BN）とウルツ鉱窒化ホウ素（w-BN）は、sp3が混成して三次元共有結合ネットワークを形成している。c-BNはダイヤモンドのような四面体構造（立方晶系）を示し、w-BNは六角形のクローズパック構造（六方晶系）を持つ。どちらも非常に高い硬度を持つことで有名である（c-BNの硬度は45-50GPaでダイヤモンドに次ぐ）。また、この緻密な構造は、ほぼ等方的な高い熱伝導率（c-BN≈750W/m・K）、1400℃以上の熱安定性（不活性雰囲気中）、ワイドバンドギャップ半導体特性（c-BNのバンドギャップ～6.4eV）をもたらす。

図2 cBN、wBN、rBN、hBNの構造

すべてのBN変種は、酸、アルカリ、溶融金属による腐食に耐える卓越した化学的不活性を示す。h-BNの層状すべり特性とc-BN/w-BNの超硬質耐摩耗性は、基本的に、原子結合パターンと結晶対称性の観点から、それらのsp2層構造とsp3空間ネットワークの直接的な意味合いから生じています。この構造-性能相関は、窒化ホウ素材料系を理解するための核となる論理を形成している。

表1 さまざまな構造タイプの窒化ホウ素の比較

3 物理的・化学的特性

3.1 熱特性

窒化ホウ素は、極限の熱管理用途において比類なき性能を発揮する。六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、原子層面に沿ってグラフェンに匹敵する超高熱伝導率（約400W/m・K）を示す一方、垂直方向の熱伝導率は著しく低下する。この強い異方性により、指向性放熱材料として理想的な選択肢となっている。一方、立方晶窒化ホウ素（c-BN）は等方的に高い熱伝導性（約750W/m・K）を示し、ほとんどの金属を上回る。さらに重要なことに、h-BNは1000℃を超える酸化性雰囲気でも安定性を保ち、c-BNは不活性環境下で1400℃を超える温度に耐えることができる。どちらの材料も熱膨張係数が極めて低く、耐熱衝撃性に優れているため、高温デバイスの遮熱コーティングや放熱基板の材料基盤となる。

3.2 電気的特性

h-BNは、ワイドバンドギャップ絶縁体（バンドギャップ幅～6eV）として、800kV/cmという高い絶縁破壊電界強度を持ち、表面にダングリングボンドがないため、二次元トランジスタ（グラフェンや二硫化モリブデンデバイスなど）の誘電体層として理想的であり、界面散乱を効果的に抑制する。一方、c-BNは6.4eVという超広帯域バンドギャップと制御可能なp型ドーピング能力を兼ね備えている。高温でも安定した半導体特性は、深紫外光電子デバイス、過酷な放射線環境用の検出器、高周波・高出力電子部品の開発の可能性を開く。

3.3 機械的特性

窒化ホウ素は、剛性と柔軟性を併せ持つ機械的特性において、極端な分化を示す。h-BNの層間ファンデルワールス力は超低摩擦係数（0.03-0.1）をもたらし、高温条件下では理想的な「固体潤滑剤」となる。真空や不活性環境では、その摩擦性能はグラファイトを凌ぐほどである。一方、c-BNはsp3結合によって形成される3次元ネットワークにより、ダイヤモンドに次ぐ45～50GPaのビッカース硬度を持ち、さらに高い熱安定性と独自の化学的不活性（鉄族金属を加工する際に黒鉛化を触媒することがない）を持つ。この特性により、c-BN工具は、高硬度合金加工の分野で何物にも代えがたい優位性を発揮する。

3.4 化学的特性

窒化ホウ素の化学的不活性は、腐食環境での生存の基礎を形成する。h-BNもc-BNも、ほとんどの酸、アルカリ、および溶融金属（アルミニウム、銅、鋼など）に対して卓越した耐性を示す。h-BNは、900℃の溶融アルミニウム浸食に耐えることができ、従来のセラミックをはるかに凌ぐ。この "受動的 "特性により、溶融金属容器のライニング、半導体製造の消耗品、原子炉の中性子吸収部品の重要な候補材料となっている。

図3 六方晶窒化ホウ素ナノコーティングは、実際の水環境におけるパイプのスケーリングを低減する。

3.5 特殊な機能特性

h-BNの単一光子源（ホウ素空孔カラーセンター）は量子通信に有望であり、その原子レベルで平坦な表面はトポロジカル絶縁体のような新しい量子状態の研究を支えている。さらに、h-BNナノシートの深紫外蛍光特性は、バイオマーキングや偽造防止コーディングのブレークスルーをもたらし、w-BNの超高圧電気伝導性は、次世代のメカトロニクス・トランスデューサー材料への道を指し示している。

4 調製方法

窒化ホウ素の合成技術体系は、結晶構造の制御と応用性能の要求を中心に展開される。化学気相成長法（CVD）は、高性能薄膜を作製するための中心的な方法であり、加熱された基板表面上で気体前駆体（BCl3-NH3系など）を反応させることにより、原子レベルで制御された成膜を実現する。プラズマエンハンスドCVDは400℃の低温でアモルファスBN絶縁層（誘電率1.16と低い）の成長を可能にし、熱CVDは大面積六方晶窒化ホウ素単結晶のエピタキシャル成長（例えば、ニッケル基板上の4×4cm^2単層h-BN）に使用され、ナノメートルレベルの膜厚精度と95％を超える純度を達成する。しかし、工業化には装置コストと成膜速度が制約となる。

多孔質BN材料の大量生産には、空間閉じ込め効果のあるテンプレート法が主流である。なかでもハードテンプレート法は、メソポーラスシリコン／カーボンを足場とし、ホウ素源（アジ化ホウ素など）の含浸、高温熱分解（800℃以上）、テンプレートエッチング（HF溶液）を経て、触媒担体やガス吸着に適した均一な細孔径（2～50 nm）、比表面積1000 m^2/g超のメソポーラスBNを得る方法である。ソフトテンプレート法は、操作的には簡単であるが（界面活性剤の自己組織化に頼る）、生成物の秩序性が低いため、応用には限界がある。

工業グレードのミクロンサイズのBN粉末の合成は、主に高温熱分解法に依存している。ホウ砂-塩化アンモニウム法は、アンモニア雰囲気中で原料を1200℃で焼結するもので、連続生産の利点があるが、炭素を含む不純物が多く残留する。有機前駆体法（アジ化ホウ素の分解など）は高純度の多孔質BN（純度97%以上）を生成するが、原料コストが高いため、ハイエンドのセラミック用途に限定される。

立方晶窒化ホウ素（c-BN）の調製には、相変態を促進する高圧高温（HPHT）技術が必要である。触媒を使用しない方法では、極端な条件（11～12GPa、1700℃）が必要である。工業的には、アルカリ金属窒化物（Li3Nなど）を触媒として使用し、圧力を5 GPa、温度を1400℃まで下げ、超硬研磨材や工具の要件を満たすc-BN砥粒（硬度45～50 GPa）を合成するのが一般的である。新しいプラズマ合成法は、400～600℃でN2-BH3ガスを活性化し、基板の熱損傷を回避しながらc-BN薄膜を成膜するもので、光学コーティングに適している。

フロンティアのブレークスルーは、対称性の破れた基板（Ni(520)斜めステップ面）を用いてABC積層を順次ロックする斜めエピタキシャル成長など、精密な構造制御に焦点を当てており、4×4cm^2の菱面体晶BN（rBN）単結晶膜の作製に成功している。その強誘電性（キュリー温度＞600℃）は、電子デバイスへの新たな道を開くものである。

方法の選択と産業化の論理

応用適応性：ホウ酸尿素法（低コストのh-BNマイクロパウダー）は熱伝導性／潤滑用途に好まれ、CVD膜は半導体絶縁層に信頼され、HPHT合成c-BNは超硬工具に不可欠であり、エッジティルエピタキシーで成長させたrBN単結晶は量子デバイス用に探求されている。

技術の進化：現在の研究は、低温プロセス（プラズマアシスト）、グリーンプロセス（低エネルギーテンプレート）、およびエピタキシャル精度の向上に重点を置いており、先進的な電子・エネルギーシステムへのBNの採用を推進している。

図4 六方晶窒化ホウ素ナノシート合成装置の概略図

5 実際の応用と最近のブレークスルー

5.1 産業応用

六方晶窒化ホウ素（h-BN）の層状構造は、ユニークな面内強結合／層間弱相互作用の二重特性を持つ。高温歯車や航空宇宙エンジンにおいて、h-BN粉末は層間すべりによる超低摩擦係数（0.03-0.1）を達成している。そのsp2結合ネットワークは800℃の酸化環境でも安定性を保ち、従来の潤滑剤が高温で不具合を起こすという難点に対処している。ダイヤモンドのようなsp3三次元共有結合ネットワークを持つ立方晶窒化ホウ素（c-BN）は、ダイヤモンドに次ぐ硬度（45～50GPa）を達成し、急冷鋼を加工する際にダイヤモンドのような鉄触媒による黒鉛化を起こさないため、高硬度合金加工に不可欠な工具材料となっている。5Gチップの熱管理分野では、超高面内熱伝導率（≒400W/m・K）のh-BNフレークをポリマーマトリックスに埋め込み、異方性熱経路を形成することで、局所的なホットスポット温度を30％以上低減する。また、ワイドバンドギャップ絶縁特性（～6 eV）により、電流リークも防ぐことができる。

5.2 電子デバイス原材料

電子デバイスの原料であるh-BNは、表面が原子レベルで平坦であり、ダングリングボンドが存在しないため、二次元電子デバイスの誘電体基板として理想的である。一方、c-BNは、6.4eVの超広帯域バンドギャップと間接的なバンドギャップ特性を活かして、深紫外レーザー（波長200nm以下）の室温発振を可能にする。また、三次元格子中のホウ素空孔欠陥は、高エネルギー粒子を捕獲し、電気信号パルスに変換することができるため、原子力発電所のモニタリングにおいて、シリコンベースのデバイスの100倍長い寿命を持つ耐放射線検出器の構築を可能にする。

5.3 新たな応用

原子炉では、ホウ素-10の同位体であるh-BNの中性子吸収断面積は3,840ターゲットevと高く、その層状構造は、冷却水の腐食に耐える化学的不活性を維持しながら、800℃の高温で熱中性子を効果的に捕捉できる多孔質セラミック体に加工することができる。量子技術の分野では、h-BN格子中のホウ素空孔色中心（VB-）が85％の量子効率で安定した単一光子を放出する。層間絶縁環境は、デコヒーレンス時間をミリ秒レベルまで延ばし、室温量子記憶デバイスの候補材料となっている。表面のsp²リングは3,000℃の酸化火炎流に耐える一方、内側のsp³結合ネットワークは母合金からの熱拡散を遮断し、ノズルの寿命を従来の炭化ケイ素コーティングの3倍に延ばす。

図5 窒化ホウ素原子炉制御棒

6 新たな発見と今後の重点分野

6.1 主な技術的課題と解決策

1.c-BNの大面積単結晶育成の難しさ

立方晶窒化ホウ素（c-BN）は、超硬質材料（硬度45～50GPa）として、切削工具の分野でダイヤモンドに取って代わることができる（特に鉄族金属を加工する場合、触媒なしでは黒鉛化を起こさないため）。しかし、その単結晶の調製には核心的な課題がある：

界面応力と相純度の問題である：従来のPVD/CVD法では、相変態を誘起するために高エネルギーのイオンボンバードが必要であり、その結果、混合相（六方晶h-BNと立方晶c-BNが共存）や膜内の残留応力が生じる。さらに、界面にはアモルファス窒化ホウ素（a-BN）や無秩序層構造（t-BN）の遷移層が含まれることが多く、これが結晶品質を低下させる。

サイズの制限：高圧高温（HPHT）法は極端な条件（5～12GPa、1400～1700℃）を必要とするため、高純度のc-BN結晶粒を生成できるが、ウェーハスケールの単結晶成長には苦労する。

ブレークスルーの方向性

エピタキシャル成長技術：最近の研究で、ダイヤモンド基板上で、中間層の欠陥を避けて、柱状エピタキシャルc-BN単結晶膜を成長できることが示された。

プラズマアシストCVD：低温プラズマエンハンストCVD（350℃PECVDなど）は、プラズマ照射時間を調節することで結晶性を制御し、大面積成長の可能性を提供する。

2.h-BNの層間熱伝導メカニズムの最適化

六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、面内熱伝導率が400W/m・Kと高いが、層間熱伝導率が不十分であるため、垂直放熱への応用には限界がある。主な問題点は以下の通り：

異方性の制約：h-BNの層状構造により、面内では強い共有結合が、層間では弱いファンデルワールス力が働くため、層間を越えて熱が移動しにくい。

トポグラフィーに依存した熱伝導挙動：フレーク状のh-BNは水平方向の熱放散を最適化するが、垂直方向の充填効率を向上させるためには球状粒子が必要であるが、球状h-BNの調製プロセスは複雑でコストがかかる。

そのため、最適化戦略は主に以下の側面に焦点を当てている：

• マイクロ/ナノ構造設計：
  • 板状h-BN：極薄ナノシート（厚さ＜10 nm）をイオン液体剥離法で作製し、層間フォノン輸送効率を高め、サーマルペーストの性能を30％向上させる。
  • 球状h-BN: 高周波プラズマ蒸着法により球状粒子を合成し、バッテリー冷却などの垂直熱管理用途に適した高充填複合材料を実現。
• 界面工学：ポリマーマトリックス中にh-BNナノシートを配向配置し、異方性熱伝導経路を構築することで、局所的なホットスポット温度を30%以上低減できる5Gチップ放熱フィルムなど。

3.低コスト大量生産

現在、BN材料の大量生産コストは、特に高性能な形態（ナノチューブや単結晶薄膜など）においては高い：

コスト削減の道筋

イオン液体剥離技術：安価なイオン液体を用いた方法により、h-BNナノシートの大量生産（収率25％）が可能となり、コストは従来の3分の1に低減。

燃焼合成法：ホウ酸-尿素を原料として、900～1100℃で直接h-BNマイクロパウダーを合成するため、高純度ガスへの依存がなく、工業用潤滑剤や熱伝導性フィラーに適している。

6.2 最先端研究のブレークスルーと方向性

1.ファンデルワールスヘテロ接合（h-BN/グラフェン/遷移金属ジカルコゲナイド）

h-BN は、二次元ヘテロ接合における絶縁層として中心的な役割を果たしている：

光検出器の革新グラフェン/MoS₂ヘテロ接合にh-BNバリア層を挿入することで、暗電流をピコアンペアレベル（0.07 pA）に抑制し、応答速度を100倍向上（0.3秒 vs 20秒）させ、FNトンネル効果を利用して光生成キャリア輸送を強化。

量子効果の調節：グラフェンとh-BNを5層並べることでモアレ超格子を形成し、グラフェンで初めて「分数量子異常ホール効果」（FQAHE）を実現。

利点

h-BNの原子レベルで平坦な表面は界面散乱を低減し、グラフェンのキャリア移動度を140,000 cm^2/(V-s)10 まで高める。

広いバンドギャップ特性（～6 eV）は電流リークを遮断し、高周波デバイスの要件を満たす。

2.窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）

BNNTは、カーボンナノチューブ（CNT）のC-C結合をB-N結合に置き換えたもので、高い強度と絶縁性を兼ね備えている：

機械的特性はCNTを上回る：理論計算では、降伏強度が高く、欠陥耐性が強く、既知の絶縁繊維の中で最高の強度を示す。

極めて高い環境安定性：1000℃の酸化環境下でも構造安定性を維持し、CNTの酸化閾値（～400℃）を上回る。

応用例

複合材料の補強相：ポリマーマトリクス（エポキシ樹脂など）に充填して高温安定性と熱伝導性を高め、宇宙船の熱管理部品に使用される。

中性子遮蔽材料：ホウ素10同位体の中性子吸収断面積は3,840ターゲットイプシロンに達し、原子炉の保護に適している。

図6 窒化ホウ素ナノチューブ

3.ホウ素-窒素ベースの量子材料

B-N結合の動的可逆性は、量子材料設計に新たな次元をもたらす：

量子光源である：量子光源：h-BN中のホウ素空孔（VB-）は、85％の量子効率とミリ秒レベルに達するデコヒーレンス時間で安定な単一光子を放出し、室温量子メモリーの基礎を築く。

トポロジカル・フラットバンド制御ひし形BN（rBN）単結晶は、斜めエピタキシャル成長によって強誘電性（キュリー温度600℃以上）を達成し、高次のフラットバンドを支えている。

B-N共有結合ポリマー：香港城市大学は、B-N結合を用いた単結晶ポリマー（例えば、CityU-15）を合成し、ヨウ素ドーピング後、人工網膜シナプスシミュレーション用の超低エネルギーデバイス（3.3fJ/サイクル）を実現した。

7 結論

窒化ホウ素（BN）は、ホウ素原子と窒素原子からなる二元化合物である。主に六方晶（h-BN）や立方晶（c-BN）といった同素体形態で存在する。h-BNの層状構造は、高い面内熱伝導性（約400W/m・K）と高温潤滑性をもたらし、c-BNの立方晶構造は、超硬度特性（硬度45～50GPa）とワイドバンドギャップ半導体挙動（バンドギャップ6.4eV）をもたらす。現在の課題としては、c-BNの大面積単結晶育成の難しさ、h-BNの低い層間熱伝導率、大量生産に伴う高コストなどが挙げられる。最先端の研究では、ファンデルワールスヘテロ構造（h-BN/グラフェンなど）、六方晶窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）の機械的/中性子遮蔽特性、ホウ素-窒素ベースの量子材料（ホウ素空孔カラーセンター単一光子源など）に焦点が当てられている。将来的には、製造プロセス（プラズマ合成、イオン液体剥離など）を最適化し、量子制御研究を深めることで、エレクトロニクス、原子力、量子技術への応用を推進する。

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ社は、先端材料のリーディング・サプライヤーとして、研究と産業発展の両方を促進するために、高品質の窒化ホウ素製品と専門家によるサポートを提供することに専念している。

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