合金と蛍光体におけるイットリウムの主な用途
はじめに
化学式 Y で表されるイットリウムは、他の希土類元素と物理的・化学的性質が類似していることと、歴史的な経緯から希土類元素の一つである。イットリウムは銀の軟質遷移金属であり、化学的にはランタニド元素群、特に重希土類元素群に類似しており、その原子番号は 63 から 71 である。イットリウムの電子配置は[Kr]5s24d1である。イットリウムの電子配置は[Kr]5s24d1であり、8電子の安定構造を形成するために3電子を失うことを好むため、酸化状態は+3である。Y2O3は、最も一般的に使用されるイットリウム化合物の一つである。
イットリウムは、地殻中に31ppm存在し、金（Au）の約26000倍で、28番目に多い元素である。イットリウムは通常、副産物として希土類鉱物中に他のランタノイドと共に見出される。イットリウムのほとんどは、以下の3つの供給源から産出される：
- ゼノタイム：オルトリン酸イットリウム（YPO4）を含むリン酸塩鉱物。
- モナザイト：希土類元素を含む赤褐色のリン酸塩鉱物。
- バストネサイト：セリウム、ランタン、イットリウムを含むフッ化炭酸カルシウム鉱物
イットリウムは、テレビ管の蛍光体、エネルギー効率の高い照明、燃料電池[2]、冶金、セラミックス、超伝導体など、多くの分野で広く使用されている。本稿では、主に合金と蛍光体に使用されるイットリウムに焦点を当てる。
合金添加剤として使用されるイットリウム
イットリウムが合金産業で使用されるのは、脱酸、脱硫、脱窒、脱ガスの効果があるからであり、その効果は熱力学的酸化ポテンシャルの低さによって説明される[1]。例えば、Ni-20Cr合金にイットリウムを添加すると、高温耐酸化性が大幅に向上する。しかし、その詳細な理由は、多くの仮説や研究がなされたものの、まだ不明である。考えられる説明は2つある：
- イットリウムを添加すると、合金の質量増加率が低下する。(質量増加とは、環境からの原子や分子の吸収による合金の総質量増加を意味する。これは腐食、酸化、析出によって引き起こされる)。
- イットリウムの添加は合金の表面密着性を高める。
ここでは、イットリウム添加アルミナ合金を例にとっている。
Fe-20Cr-4Al合金とイットリウム添加
Fe-20Cr-4Alは、Cr20％、Al4％、残部鉄としてFeからなる合金である。燃焼室や熱交換器などの高温用途によく使用される。高温での酸化や腐食に対する耐性に優れています。
以下は、Fe-20Cr-4Al合金にイットリウムを注入する手順です：
Fe-20Cr-4Al合金で熱間圧延と冷間圧延を繰り返し、0.5mm厚の板を作る。インプランターでイットリウムイオンを合金に注入する。ラザフォード後方散乱分光法（RBS）を用いて、合金中のイットリウム濃度を正確に測定する。ここでは、0.01%～0.5%のYを注入した合金を使用する。
実験と結果の考察
Fe-20Cr-4Al-(0,0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5)Y合金を用い、1200℃の酸素雰囲気下に5時間暴露した。図1は、Fe-20Cr-4AlからFe-20Cr-4Al-0.1Yまで質量増加率が減少することを示している。その後、質量増加は再び増加する[1]。
図1 Fe-20Cr-4Al-(0,0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.3)Y合金の O2中1200℃で5時間の質量増加の変化 [1]。
図 2に O2 暴露後のこれらの合金の表面外観を示す。標準FeCrAl合金の表面は脱落し始める。
(b)から(h)までは、いずれも中間の材料を保護するために酸化物表面を形成している。 (b)と(c)はまだ表面にわずかなスポールが残っている。イットリウム濃度が高くなるにつれて、酸化物表面がよりよく形成され、自身を保護するようになる。0.1Yから0.5Yまでは、0Yから0.05Yのものに比べて、その表面はずっと暗い。合金の表面を検出するためにX線回折を使用することにより、我々は以下の観察を得る[1]。
(a)は非常に弱いAl2O3結晶表面構造を形成している。(b)から(h)までは、いずれも強いAl2O3を形成している。
(f)から(h)まで、これらも非常に弱い弱いY3Al5O12結晶構造を形成している。
Y3Al5O12は、イットリアアルミナガーネット（YAG）とも呼ばれ、高温、高強度、化学的に安定な特性を持つ合成材料である。YAGの形成が、0.1Yから0.5Yへと質量増加をもたらす一因かもしれない。しかし、この質量増加の増加は、合金の高温耐酸化性が低下することを意味しない。実際、Y濃度が増加するにつれて、合金は高温での酸化および腐食に対してより優れた耐性を示す。
図2: O2中1200℃で5時間放置したFeCrAl-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y合金の表面写真 [1]。(a) 0Y; (b) 精製した0Y; (c) 0.01Y; (d) 0.02Y; (e) 0.05Y; (f) 0.1Y; (g) 0.2Y; (h) 0.3Y
蛍光体に使用されるイットリウム
蛍光体は放射線を受けて発光する物質である。基本的な原理は、蛍光体の軌道電子が放射線エネルギーを受けて励起し、より高い軌道に移動することである。最後に、これらの電子は基底状態に戻る。この挙動から生じるエネルギーによって発光する。
蛍光体に使用される元素は、蛍光体が発する光に直接影響する。イットリウムの安定した狭い効率的な赤色発光のため、Y2O3はカラーテレビ、コンピューター・モニター、発光ダイオード（LED）、X線強化スクリーン用の蛍光体に使用されている[2]。
一般的なLEDは冷たい白色光を発する。蛍光体変換暖白色発光ダイオード（pc-LED）は、新しいLED技術である[3]。ナノサイズのY2O3は、蛍光体中に赤色成分を添加し、LEDをより暖かく高品質な光にすることができる。
結論
イットリウムは希土類元素のひとつである。そのユニークな特性により、イットリウムは蛍光体や合金に広く使用されている。今日触れていない用途やイットリウム化合物はまだたくさんある。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）では、様々な種類のイットリウムを提供しています。イットリウムまたはイットリウム化合物に関する詳細な情報が必要な場合は、当社の技術スタッフにアプリケーション情報を提供し、アドバイスを受けることができます。
参考文献
- Volkerts，B．(2010).イットリウム：Compounds, production, and applications: 化合物、生産、応用。Nova Science Publishers, Incorporated.
- Zhang, K., Kleit, A. N., & Nieto, A. (2017).An economics strategy for criticality - application to rare earth element yttrium in new lighting technology and its sustainable availability.Renewable and Sustainable Energy Reviews, 77, 899-915.https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.127
- Petry, J., Komban, R., Gimmler, C., & Weller, H. (2022).蛍光体変換温白色LED用発光性ユーロピウムドープ酸化イットリウムy2O3:euナノディスクの簡単なワンポット合成。Nanoscale Advances, 4(3), 858-864.https://doi.org/10.1039/d1na00831e
