JP2770671B2 - エレクトロニクス素子用硼化物材料 - Google Patents

エレクトロニクス素子用硼化物材料

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はエレクトロニクス素子用
硼化物材料に係り、特に、pn接合素子用として用いら
れるほか、ある温度でpn接合が消失する等の新しい機
能を有するエレクトロニクス素子用硼化物材料に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、ZrB12は結晶系が立方晶系でU
12タイプの構造をとり、格子定数がa=7.408Å
であることが報告されている(B.Post and F.W.Glaser,
Trans.AIME, 194,1952, 631-632)。一方、ScB12
結晶系が正方晶系で乱れたUB12タイプの構造をとり、
格子定数がa=5.22Å,c=7.35Åであること
が報告されている。(Matkovich et al., Acta Crystal
logr., 19,1965,1056 )。ZrB12とScB12はどちら
も低温で超電導状態になり、その臨界温度はそれぞれ
6.03Kと0.39Kであることが報告されている
(B.T.Matthias et al・, Science, 159,1968,530)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の如く、ZrB12
及びScB12の各々の単晶系についての報告例はあるも
のの、従来、これらZrB12及びScB12の両晶系の混
晶系(Zr1-x Scx )B12について報告された例はな
い。
【0004】一方で、価数が異なり結晶系が微妙に異な
る結晶系を混合すると、混晶系に格子歪みが生じ、新し
い機能をもつ材料を提供することができることが知られ
ており、ZrB12及びScB12についても、これらを混
晶系とすることにより新たな可能性が見出されるものと
考えられる。
【0005】本発明は上記従来の実情に鑑みてなされた
ものであって、従来公知の2つの物質、例えば立方晶系
のZrB12と正方晶系のScB12とから新しい機能を有
するエレクトロニクス素子用硼化物材料を提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1のエレクトロニ
クス素子用硼化物材料は、A1-xx12(ただし、A
はZr又はHf,EはSc又はYを示し、0.1≦x≦
0.9である。)の化学式で表され、その結晶系が相転
移温度以上で立方晶系、相転移温度以下で六方晶系であ
ることを特徴とする。
【0007】以下に本発明を詳細に説明する。
【0008】本発明のエレクトロニクス素子用硼化物材
料の化学式A1-xx12において、xが0.1未満で
あると、その結晶構造がx=0のもの、例えば、ZrB
12の構造である立方晶から変化せず、結晶の構造相転移
に伴って起こる種々の物性変化(電気抵抗率、帯磁率、
ゼーベック係数等)は観測されなくなる。逆に、xが
0.9を超えると、X線回折において室温で見られてい
た新しい結晶構造に起因したピークが消失し、x=1の
もの、例えば、ScB12の構造である正方晶のピークが
観測されるようになる。従って、xは特性変化が観測さ
れる0.1≦x≦0.9、好ましくは0.15≦x≦
0.8とする。
【0009】このxの範囲内で、本発明の硼化物材料A
1-xx12は高温で立方晶系となり、低温で方晶系
となり、立方晶系から六方晶系へ相転移する温度(相転
移温度)近傍では、両晶の混晶となる。そして、相転移
温度で、熱電能特性がp型からn型に変化するという特
異な挙動を示す。
【0010】このような本発明のエレクトロニクス素
用硼化物材料は、その構成元素A,Eの酸化物粉末、例
えば、ZrO2 ,HfO2 ,Sc23 ,Y23 或い
は硫酸化物粉末、例えば、Y2 (SO43 、Sc2
(SO43 等とホウ素(B)粉末とを所定割合で混合
した後成形し、得られた成形体を焼結することにより容
易に製造することができる。
【0011】ここで焼結条件としては特に制限はない
が、10-2torr以下、1800℃以上の温度で真空
焼結とする必要がある。その理由として、1800℃以
下の温度においては異相となるMB2 (M=Zr,S
c,Hf等)構造が安定であり、1800℃以上に加熱
するとMB2 構造が消失するからである。焼結時間につ
いては、所望の結晶構造を組んでしまえば安定に存在す
るので、特に規定する必要はない。
【0012】なお、焼成時には、原料中の酸素とホウ素
との反応で、BがBOとして抜けることから、原料粉末
の混合にあたっては、焼結時に損失するBを考慮して、
目的とする組成よりも若干B粉末を多く混合する必要が
ある。
【0013】
【作用】本発明のエレクトロニクス素子用硼化物材料に
よれば、価数が異なると共に結晶系が微妙に異なる2種
類の結晶系を混合することにより、 相転移温度において電気伝導を担うキャリヤーがn
型からp型に変化する。 抵抗率が温度依存性を示し、相転移温度において抵
抗率が増加する。 帯磁率が温度依存性を示し、相転移温度において帯
磁率が減少する。 組成(x)の変化により、相転移温度が変化する。 といった新規機能を有するエレクトロニクス素子用硼化
物材料が提供される。
【0014】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の
実施例に限定されるものではない。
【0015】実施例1 Zr0.85Sc0.1512焼結体の製造を行なった。Zr:
Sc:Bのモル比が0.85:0.15:13.925
となるように瑪瑙乳鉢中で混合したZrO2 ,Sc2
3 ,Bの各粉末を5×30×2mmの形状にプレス成形
し、得られた成形体を蓋付きのBN製サセプターの中に
入れ、カーボンヒーターの真空炉で焼結を行なって、焼
結体を作製した。焼結にあたり、真空炉のガス排気は、
ロータリーポンプにより粗引きした後、ターボポンプに
よって本引きし、真空到達度が2×10-3torr以下
の状態とした後、1820℃まで20分で昇温し、1時
間保持した後、室温まで1時間で降温した。この場合、
原料中の酸素は過剰に仕込んだホウ素と反応してBOと
して試料中より抜けることにより、目的とするZr0.85
Sc0.1512の焼結体を得ることができた。
【0016】図1に、得られた焼結体の低温におけるX
線回折パターンを示す。図1から、180K以下の温度
で新しいピークが出現していることがわかる。電子線回
折撮影により、180K以下での構造は、結晶系が六方
晶であり、a軸長は5.181Å、c軸長は25.41
Åであることがわかった。
【0017】図2に、この焼結体の電気抵抗の温度依存
性を示す。図2から、200K以下の温度で、温度の上
げ下げによりヒステリシスを有する抵抗率の増加が起き
ていることがわかる。
【0018】図3に、この焼結体のゼーベック係数の温
度依存性を示す。図3から、電気抵抗の温度依存性の挙
動に対応した200Kからのゼーベック係数の増加がみ
られ、それに伴ってn型の金属的挙動からp型の金属的
な挙動に変化していることがわかる。
【0019】図4に、この焼結体の帯磁率の温度依存性
を示す。図4から、この物質が反磁性を示し、結晶構造
や電気抵抗、ゼーベック係数の変化に対応した温度で、
反磁性が急激に増加していることがわかる。
【0020】なお、A=Zr,E=Sc以外の組み合わ
せについても、実施例1と同様の手法で試料を作製し、
当該試料の抵抗の温度依存性の測定を行なったところ、
組成(x)の変化により相転移温度が移動することが確
認できた。
【0021】実施例2 ZrとScとBのモル比を変えて、実施例1と同様にし
て試料を作製し、Zr:Sc:Bを、そのモル比が1−
x:x:14−x/2となるように合成した場合、0.
1≦x≦0.9の範囲で結晶構造、電気抵抗、ゼーベッ
ク係数、帯磁率に変化を伴う試料が得られることを確認
した。なお、比較のためx=1のScB12についても、
電気抵抗の変化を調べた。
【0022】図5に、試料の組成をZr1-x Scx12
と表記したときのxに対しての室温でのX線回折パター
ンを示す。図5から、0.3≦x≦0.9の範囲でx=
0.15の低温におけるX線回折パターンに見られる新
結晶構造に伴うピークが現われていることがわかる。
【0023】図6及び図7は、0≦x≦0.3の範囲の
xに対しての電気抵抗の温度依存性を示す。xの増加に
伴い変化の起こる温度が上昇していることがわかる。x
≧0.3の範囲のxでは、変化の起こる温度が室温以上
であることがわかる。
【0024】図8は、0.4≦x≦0.9の場合と、S
cB12(x=1)の場合の、電気抵抗の温度依存性を示
す。図8から、x≧0.4では、相転移温度は、高温側
にずれていて、300K以下では現われないことがわか
る。
【0025】図9は、x=0.2の場合の帯磁率の温度
変化を示す。図9から、x=0.2の場合、230Kで
反磁性が増大し始めていることがわかる。この温度は図
7におけるx=0.2の相転移温度と対応する。
【0026】また、x=0.15の場合、図7、図4か
ら相転移温度は約200Kであるが、x=0.2の場合
は、230Kであり、xの増加に伴い相転移温度が高温
側にシフトしていることがわかる。
【0027】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のエレクトロ
ニクス素子用硼化物材料によれば、pn接合素子を容易
に得ることができ、さらに組成を変化させることによ
り、特定温度においてpn接合が消失しp型或いはn型
に変化する従来にない機能を有するエレクトロニクス素
子等を提供することが可能となる。また、本発明のエレ
クトロニクス素子用硼化物材料によれば、その組成の変
化に対応して、温度に対する熱敏感性を選択し得る抵抗
器が容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Zr0.85Sc0.1512焼結体の結晶構造変化を
示す低温におけるX線回折パターンを示す図である。
【図2】Zr0.85Sc0.1512焼結体の電気抵抗の温度
依存性を示す図である。
【図3】Zr0.85Sc0.1512焼結体のゼーベック係数
の温度依存性を示す図である。
【図4】Zr0.85Sc0.1512焼結体の帯磁率の温度依
存性を示す図である。
【図5】Zr1-x Scx12焼結体(0≦x≦1)の室
温における結晶構造を示すX線回折パターンを示す図で
ある。
【図6】Zr1-x Scx12焼結体(0≦x≦0.3)
の電気抵抗の温度依存性を示す図である。
【図7】Zr1-x Scx12焼結体(0≦x≦0.3)
の電気抵抗の温度依存性を示す図である。
【図8】Zr1-x Scx12焼結体(0.4≦x≦0.
9)及びScB12の電気抵抗の温度依存性を示す図であ
る。
【図9】Zr0.8 Sc0.212焼結体の帯磁率の温度依
存性を示す図である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 39/22 ZAA H01L 39/22 ZAAZ (73)特許権者 000005108 株式会社日立製作所 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 (73)特許権者 000241957 北海道電力株式会社 北海道札幌市中央区大通東1丁目2番地 (72)発明者 浜田 一之 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 杉井 信之 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 若田 光延 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 久保 光一 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 松浦 清隆 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (72)発明者 山内 尚雄 東京都江東区東雲1丁目14番3号 財団 法人国際超電導産業技術研究センター超 電導工学研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C01G 25/00 - 27/06 C01B 35/00 - 35/10 C30B 1/10 - 35/00 H01L 39/22 - 39/24

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 A1-xx12(ただし、AはZr又は
    Hf,EはSc又はYを示し、0.1≦x≦0.9であ
    る。)の化学式で表され、その結晶系が相転移温度以上
    で立方晶系、相転移温度以下で六方晶系であることを特
    徴とするエレクトロニクス素子用硼化物材料。
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