JP2002284518A

JP2002284518A - ボロン及びボロン化合物結晶とそれらの製造方法

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Publication number: JP2002284518A
Application number: JP2001090695A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Noda; 哲二野田; Yutaka Suzuki; 裕鈴木; Masatoshi Ko; 全利胡
Original assignee: National Institute for Materials Science; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute for Materials Science
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】原子力、電子、エネルギー関連材料などに有
用な、より熱伝導度が高められたボロン結晶及びボロン
化合物結晶と、それらの製造方法を提供する。【解決手段】 ¹¹Ｂまたは¹⁰Ｂいずれかの濃度が９０原
子％以上であって、¹¹Ｂおよび¹⁰Ｂ以外の不純物濃度が
０．１重量％以下とされているボロン結晶、およびその
ボロンの化合物結晶とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、ボロン及
びボロン化合物結晶とその製造方法に関するものであ
る。さらに詳しくは、この出願の発明は、原子力、電
子、エネルギー関連材料などに有用な、より熱伝導度が
高められたボロン及びボロン化合物結晶とそれらの製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】ボロン（Ｂ）は¹¹Ｂおよび¹⁰
Ｂの同位体がそれぞれ自然存在度８０．１％、１９．９
％で存在する元素であって、高純度品はケイ素半導体の
ドーピング剤等として用いられている。また、その半導
体的特性により、ボロンは、ＢＰ，ＡｌＢ，ＹＢ等のボ
ロン化合物とともに、Ｘ線，赤外線，中性子線等の半導
体検出器材料として、さらには超伝導材料等としての利
用が期待されている。

【０００３】このＸ線等の検出器は、低温で効率良く使
用されるため、検出器に用いる材料としては冷却が容易
な熱伝導性が高いものであることが要求される。また、
超伝導材料の添加元素についても、熱伝導性が高いもの
であることが好まれる。そのため、従来よりこのような
用途で使用される材料は、熱伝導度を高めるために、不
純物濃度を下げる、あるいは単結晶化して欠陥濃度を下
げるといった工夫等がなされている。しかしながら、材
料の熱伝導度は、材料の組成あるいは構造によって必然
的に決定されるため、上記の対策以外に、更に熱伝導度
を向上させる方法は原理的にないものと考えられてい
た。

【０００４】そこで、この出願の発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、原子力、電子、エネ
ルギー関連材料などに有用で、材料の組成あるいは構造
によらずに熱伝導度が高められた新規なボロン結晶及び
ボロン化合物結晶と、それらの製造方法を提供すること
を課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願の発明
は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発
明を提供する。

【０００６】すなわち、まず第１には、この出願の発明
は、¹¹Ｂまたは¹⁰Ｂいずれかの濃度が９０原子％以上で
あって、¹¹Ｂおよび¹⁰Ｂ以外の不純物濃度が０．１重量
％以下とされていることを特徴とするボロン結晶を提供
する。

【０００７】そして、第２には、この出願の発明は、上
記第１の発明のボロンと金属が化合されていることを特
徴とするボロン化合物結晶を、第３には、金属がＰ、Ａ
ｌ、Ｙのいずれか１種あるいは２種以上であることを特
徴とするボロン化合物結晶を提供する。

【０００８】また、第４には、この出願の発明は、上記
第１の発明のボロンを製造する方法であって、¹¹Ｂおよ
び¹⁰Ｂ粉末をいずれかの濃度が９０原子％以上となるよ
うに配合して混合、成形し、Ａｒガス雰囲気で焼結した
後、焼結体の一部を帯状に溶融し、その融帯を一端から
他端に移動させることで、不純物が０．１％以下に低減
されたボロン結晶とすることを特徴とするボロン結晶の
製造方法や、第５には、その方法において、¹¹Ｂおよび
¹⁰Ｂ粉末に金属粉末を配合してボロン化合物結晶とする
ことを特徴とするボロン化合物結晶の製造方法をも提供
する。

【０００９】

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記の通りの
特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。

【００１０】この出願の発明者らは、材料の熱伝導度を
低下させる原因として、不純物の存在、結晶粒界および
結晶における欠陥の存在に加えて、同位体効果に着目し
た。つまり、多くの元素は単一の同位体から構成されて
いるわけではなく、複数の同位体から構成されており、
たとえば、ボロン（Ｂ）は、自然存在度が約８０％の ¹¹
Ｂと約２０％の¹⁰Ｂから構成されている。このような材
料の内部では同位体効果により各種の物性値が影響を受
けるが、原子量の小さいボロンについてはその影響が大
きく、熱伝導度についても同位体散乱により影響を受け
ることを見出すに至った。

【００１１】そこで、この出願の発明が提供するボロン
結晶は、¹¹Ｂまたは¹⁰Ｂいずれかの濃度が９０原子％以
上であって、¹¹Ｂおよび¹⁰Ｂ以外の不純物濃度が０．１
重量％以下とされていることを特徴としている。同位体
組成をなるべく単一の同位体に揃えることにより、熱伝
導度に対する同位体散乱の影響を低減させることができ
る。同位体組成は、¹¹Ｂに揃えられていても、¹⁰Ｂに揃
えられていてもよい。 ¹¹Ｂまたは¹⁰Ｂのいずれかの濃度
を９０原子％以上とすることで、熱伝導度に対する同位
体散乱の影響を指数関数的に低減させることができ、熱
伝導度が高められる。また、不純物濃度については、
０．１重量％を超過すると、不純物の存在による熱伝導
度の低下が顕著になってしまうため、不純物濃度は０．
１重量％以下とする。これによって、ボロン結晶の熱伝
導度をおよそ４０％以上も向上させることが可能とな
る。

【００１２】そして、この出願の発明が提供するボロン
化合物結晶は、上記のボロンと金属が化合されているこ
とを特徴としている。このボロンと化合される金属とし
ては、各種の金属元素であってよいが、同位体存在度が
１００％あるいは１００％に近いのもであることが好ま
しい。このボロンと化合される同位体存在度が１００％
の金属としては、たとえば、Ｂｅ，Ｓｃ，Ｍｎ，Ｃｏ，
Ａｓ，Ｎｂ，Ｒｈ，Ｐｒ，Ｔｂ，Ｈｏ，Ｔｍ，Ａｕ，Ｔ
ｈ等を例示することができる。なかでも、例えば、ボロ
ンとの相性のよいＰ，Ａｌ，Ｙ等であることが好まし
い。このＢＰ，ＡｌＢ，ＹＢ等のボロン化合物結晶にお
いては、その半導体的特性に加えて高い熱伝導度を備え
ることから、様々な構造材料や機能材料としての利用が
期待される。

【００１３】また、同位体存在度が１００％に近い金属
としては、Ｎ（¹⁴Ｎ：９９．６３５％、¹⁵Ｎ：０．３６
５％），Ｖ（⁵⁰Ｖ：０．２５％、⁵¹Ｖ：９９．７５％）
等を例示することができる。このＢＮおよびＶＢ等につ
いても、様々な構造材料や機能材料としてさらなる利用
が期待される。

【００１４】このように、この出願の発明のボロンおよ
びボロン化合物は、材料の組成や構造によらずに熱伝導
度の向上が実現されたものである。

【００１５】以上のようなボロン結晶において、¹¹Ｂお
よび¹⁰Ｂとしては、鋳塊等のブロック状、粉末状、ある
いはＢＦ₄，ＢＣｌ₃等の気体等を用いることができる。
そして、たとえば¹¹Ｂおよび¹⁰Ｂ粉末を用いる場合に
は、いずれかの濃度が９０原子％以上となるように配合
して混合、成形し、Ａｒガス雰囲気で焼結した後、焼結
体の一部を帯状に溶融し、その融帯を一端から他端に移
動させることで製造することができる。ボロン化合物結
晶の場合には、たとえば、¹¹Ｂおよび¹⁰Ｂ粉末に、所望
の金属粉末を配合すること等で同様に製造することがで
きる。

【００１６】¹¹Ｂ粉末および¹⁰Ｂ粉末は、たとえば電磁
分離法、蒸留法等の従来の同位体分離方法により得た粉
末等を用いることができる。混合および成形の過程で
は、不純物の混入がないようにすることが好ましく、成
形は、後工程の溶融処理を容易に行うために棒状体に成
形することが好ましい。この成形体を焼結して焼結体と
する。焼結の雰囲気は、真空とするかＡｒ等の不活性雰
囲気とすることが好ましい。

【００１７】次に、得られた焼結体に対して、例えば、
帯域溶融法、浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）等の溶融処理に
より焼結体の一部を帯状に溶融し、その融帯を一端から
他端に移動させることで精製および結晶化を行い、不純
物濃度が低減されたボロン結晶あるいはボロン化合物結
晶を得ることができる。

【００１８】以下に実施例を示し、この発明の実施の形
態についてさらに詳しく説明する。

【００１９】

【実施例】（実施例１）１５０メッシュ以下の粉末の９
９％¹¹Ｂ，９９％¹⁰Ｂおよび９９％天然Ｂ（８０％¹¹Ｂ
２０％¹⁰Ｂ）を原料とし、¹¹Ｂ，¹⁰Ｂを３通りの任意の
配合で混合し、天然Ｂはそのままで用いて、０．２ＭＰ
ａの静水圧下で８ｍｍφ×８０ｍｍの棒状に成形し、次
いで１６００Ｋの真空中で焼結した。これらを、帯域溶
融法（ＦＺ法）によりＡｒガス雰囲気中で溶解し、（０
０１）方位の種結晶上に成長させて同位体ボロン単結晶
を製造し、試料Ａ〜Ｃおよび試料Ｎとした。

【００２０】マイクロラウエによる断面方位解析の結
果、製造した全ての試料は、均一なβ型単結晶であるこ
とが確認された。また、これらの試料について、その同
位体濃度および不純物分析を行なった結果を表１に示し
た。全ての試料の不純物濃度は０．１重量％以下である
ことが確認された。

【００２１】

【表１】

【００２２】（実施例２）実施例１で製造した試料Ａ，
試料Ｃ並びに試料Ｎから、５．３×３．７×１５ｍｍの
角柱を切り出して試験片とし、液体ヘリウム温度から３
００Ｋの温度範囲で定常法によって熱伝導度を測定し
た。その結果を図１に示した。

【００２３】全ての試料の熱伝導度は約４０Ｋで最大と
なり、その差も最大となった。試料Ａおよび試料Ｃは、
試料Ｎに比べて約４０％程度高い値を示した。特に、試
料Ａについては、５７０Ｗ／ｍＫという最大値を示し
た。この値は、過去に報告されているボロン単結晶の中
で最も高い値である。また、試料Ａは、１００Ｋにおい
ても試料Ｎに比べて約２０％高い値であった。

【００２４】ボロン同位体組成と熱伝導度に寄与する同
位体散乱因子の関係を図２に示した。熱伝導度に対する
同位体の寄与は、同位体組成が９０％以上のとき指数関
数的に減少する。

【００２５】以上のことから、ボロン単結晶の同位体組
成を９０％以上に高めることで、同位体散乱効果を低減
させることができ、熱伝導度を高められることが示され
た。

【００２６】もちろん、この発明は以上の例に限定され
るものではなく、細部については様々な態様が可能であ
ることは言うまでもない。

【００２７】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、原子力、電子、エネルギー関連材料などに有用
な、より熱伝導度が高められたボロン結晶及びボロン化
合物結晶と、それらの製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この出願の発明のボロン単結晶の熱伝導度を例
示した図である。

【図２】ボロン同位体組成と熱伝導度に寄与する同位体
散乱因子との関係を例示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ３０Ｂ 29/10 Ｃ３０Ｂ 29/10 (72)発明者鈴木裕茨城県つくば市千現１丁目２番１号文部科学省金属材料技術研究所内 (72)発明者胡全利茨城県つくば市千現１丁目２番１号文部科学省金属材料技術研究所内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA01 BE06 CE03 EC07 EC10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 ¹¹Ｂまたは¹⁰Ｂいずれかの濃度が９０原
子％以上であって、¹¹Ｂおよび¹⁰Ｂ以外の不純物濃度が
０．１重量％以下とされていることを特徴とするボロン
結晶。
【請求項２】請求項１記載のボロン結晶と金属が化合
されていることを特徴とするボロン化合物結晶。
【請求項３】金属がＰ、Ａｌ、Ｙのいずれか１種ある
いは２種以上であることを特徴とする請求項２記載のボ
ロン化合物結晶。
【請求項４】請求項１記載のボロンを製造する方法で
あって、¹¹Ｂおよび¹⁰Ｂ粉末をいずれかの濃度が９０原
子％以上となるように配合して混合、成形し、焼結した
後、焼結体の一部を帯状に溶融し、その融帯を一端から
他端に移動させることで、不純物が０．１％以下に低減
されたボロン結晶とすることを特徴とするボロン結晶の
製造方法。
【請求項５】請求項４の方法において、¹¹Ｂおよび¹⁰
Ｂ粉末に金属粉末を配合してボロン化合物結晶とするこ
とを特徴とするボロン化合物結晶の製造方法。