ウルツ鉱窒化ホウ素（w-BN）：構造、特性、応用

1.はじめに

窒化ホウ素（BN）には複数の結晶形があり、最も研究されているのは六方晶（h-BN）、立方晶（c-BN）、およびウルツ鉱（w-BN）である。これらの中でw-BNは最も一般的ではないが、並外れた機械的特性を示し、高性能用途で注目されている。構造的にはGaNやZnOのようなウルツ鉱型材料に類似しているが、w-BNはダイヤモンドを超える理論硬度と卓越した熱的・化学的安定性によって区別される。

2.結晶構造と主要特性

ウルツ鉱型窒化ホウ素は、空間群P6₃mcの六方晶系をとる。ZnSやGaNのウルツ鉱構造と同様に、四面体配位のホウ素原子と窒素原子が3次元ネットワーク状に配列している。各B-N結合は共有結合であり、この材料の卓越した機械的剛性に寄与している。

他のBN多形体との比較：

• h-BN：グラファイトのような層状構造。層間力が弱く、潤滑性に優れる。

• c-BN：ダイヤモンドに次いで硬い。

• w-BN：四面体配位だが、ウルツ鉱格子状に配列している。応力下での独自の変形メカニズムにより、c-BNやダイヤモンドよりも高い圧痕強度を持つと予測されている。

w-BNの格子定数

• a≈ 2.55 Å

• c≈ 4.23 Å

3.構造と性能の相関

3.1 硬度と靭性の関係

• ウルツ鉱型BNの強いsp^3型B-N結合は硬度を高めるが、その非立方対称性は特定の配向における靭性を高める。

3.2 熱的・酸化的挙動

• 配向に依存する熱膨張は、高熱のコーティングやマイクロエレクトロニク ス基板において重要な、フィルムの完全性に影響を与える可能性がある。

3.3 電気的特性

• 広いバンドギャップは電子移動度を制限するが、膜厚と欠陥の制御により、マイクロエレクトロニクス用途向けに誘電特性を調整することができる。

4.合成アプローチ

w-BNの合成は容易ではなく、厳密に制御された条件と特殊な装置が必要となる：

4.1 高圧高温(HPHT)変換
ウルツ鉱型BNは通常、h-BNまたはc-BNを超高圧（7～20 GPa）・高温（1700～2200 °C）下で変換することによって合成される。NiやCoのような遷移金属が触媒として用いられることが多い。このプロセスでは、母相に埋め込まれた小さな結晶子が得られるため、スケーラビリティが制限される。

4.2 衝撃圧縮
爆薬またはレーザー駆動技術を用いたh-BNの衝撃波圧縮は、w-BNへの過渡的変態を誘発することができる。この迅速で非平衡なプロセスにより、ナノスケールのw-BN領域が生成されるが、再現性に課題がある。

4.3 パルスレーザー堆積法（PLD）
PLDは、サファイアやSiCなどの基板上に、ウルツ鉱のような特徴を持つBNの薄膜を成長させるために研究されてきた。膜の結晶性と相純度が依然として問題であるが、この方法では蒸着パラメーターを制御できる。

4.4 イオン注入とアニール
窒素イオンまたはホウ素イオンを層状基板に注入し、その後高圧でアニールすると、ウルツ鉱相が安定化する可能性がある。エネルギー量とアニーリングプロトコルを最適化する研究が進行中である。

5.応用の展望とケーススタディ

5.1 超硬コーティングと研磨剤
微細加工用工具コーティング、例えばシリコン・ウエハー・ダイシング・ブレード。初期のラボテストでは、過酷な負荷の下で、c-BNよりも耐摩耗性が向上している。

5.2 高温保護膜
タービンブレード、燃焼室ライニング、原子炉部品にPVD成膜し、酸化性雰囲気での寿命を向上させる。

5.3 マイクロエレクトロニクス＆パワー基板
GaNやSiCのようなワイドバンドギャップ半導体の絶縁、熱拡散ベース層としての可能性。初期のプロトタイプでは、熱サイクル耐久性が向上している。

5.4 光学窓とセンサーの研究
紫外線透過特性（～220nm カットオフ）と硬度から、航空宇宙グレードのウィンドウや、過酷な環境用のスライドイン・センサへの利用が示唆される。

6.概要

ウルツ鉱型窒化ホウ素は、BNファミリーの中でもユニークで興味をそそるものである。まだ商業的に大量に入手できるわけではないが、その卓越した理論的硬度と化学的弾力性から、従来のセラミックスでは不十分な先進的用途のための魅力的なターゲットである。合成法が改善されれば、w-BNは科学的好奇心から戦略的に重要な高性能材料へと進化するかもしれない。

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズでは、要求の厳しい熱、誘電、耐摩耗用途向けに、ウルツ鉱型窒化ホウ素粉末やその他の窒化ホウ素系材料を含む、さまざまな窒化ホウ素製品を提供しています。高温環境での調達や高度なセラミックオプションの検討など、当社のチームがお客様の材料選択と調達のニーズをサポートします。