温度によって物性が変化 - 二酸化バナジウムの魅力

2020/09/23

酸化バナジウムの温度に対する物性

バナジウムの金属酸化物の一種である二酸化バナジウム(=VO₂)は約67℃を境に絶縁体-金属相転移を生じ、大きな電気抵抗変化を示します。この巨大な抵抗変化は物理的な興味に加え、センサーやメモリーなど実用デバイスへの応用が期待され、多くの研究が行われています。

図1. VO₂の温度による抵抗値変化(測定例)

絶縁体-金属相転移に伴いVO₂の結晶構造も変化します。低温相が単斜晶であるのに対し、高温相は正方晶となります。この変化は図のようにa軸方向にジグザグ状に並んだバナジウム原子が直線状に並ぶことに対応しています。図からもわかるように結晶構造上の変化は僅かであり、低温相から高温相への変化で約0.3%の膨張を示すのみですが、この結晶構造変化に伴い大きな潜熱が発生する点も特徴です。

図2. VO₂ 低温型単斜晶系
オンマウスで結晶構造が変化します。

この大きな潜熱は、蓄熱や蓄冷に応用が期待されています。VO₂の潜熱は252J/ccと水-氷間の潜熱の3/4程度の数値ですが、固体-固体の相転移ですので溶けるという現象がありません。これを利用した全固体蓄熱材の開発も盛んです。
VO₂がこれほど高い潜熱を示す理由は、低温相では束縛された電子が、絶縁体-金属相転移により自由に動き回ることができるようになるためと考えられています。この様子は「電子の溶解」と例えられています。

光特性も相転移にともない大きく変化します。例えば、低温相は赤外線を透過するのに対し、高温相は遮蔽します。この性質を窓ガラスに応用したものは「スマートウィンドウ」と呼ばれ、冬場は赤外線を取り入れる一方、夏場は赤外線を遮断するような自動調節が可能になります。

変化温度のコントロール

元素ドープにより相転移温度の変調が可能な点も特徴です。例えば、タングステン（W）、タンタル（Ta）、ニオブ（Nb）などをドープすると低温度側に、クロム（Cr）をドープすると高温側に、それぞれ相転移温度がシフトします。温度シフトは元素のドープ量に対応しており、ドープ量を制御することで任意の温度に設定可能です。また、様々な外場によっても相転移が生じるとされ、電圧、光、応力などにより相転移の制御を目指す研究例があります。

このようにVO₂はユニークで興味深い物性を持ち、多くの研究者により研究対象とされ、幅広い分野への応用が期待される物質です。

二酸化バナジウム関連製品

VO₂粉末－SmartecHS

転移温度を調製した製品群を取り揃えています。

「Smartec® HS 10」　低温領域対応品　制御温度：約10℃
「Smartec® HS 70」　高温領域対応品　制御温度：約70℃
「Smartec® HS 120」高温領域対応品　制御温度：約120℃

詳細はこちらにまとめています。

※Smartecは熱による物性制御関連材料のブランド名(登録商標)です。

写真1. SmartecHS-70

VO2を用いた蓄熱材は理化学研究所にて発明されました。
当社は特許実施許諾を受けています。

薄膜研究用に―スパッタリングターゲット

センサー応用の期待がされている二酸化バナジウムターゲットの開発を進めております。温度特性を制御するためのドーパント等のご相談にも応じます。リアクティブスパッタ用高純度バナジウムターゲットの実績も豊富です。

写真2. VO₂スパッタリングターゲット

2020/9追加情報：
新製法を用いたVO₂焼結体の生産を開始！
二酸化バナジウムは難焼結材として緻密化が課題でしたが、このほど産業技術総合研究所殿の特許技術を用いることで緻密化に成功しました。
スパッタリングターゲットをはじめ、様々な用途で期待が持てる機能材料です。
※本製品は国立研究開発法人産業技術総合研究所の研究成果を活用しています（PCT/JP2019/47453）

写真3. VO₂高密度焼結体

産総研のプレスリリースはこちら

CSD材料－スピンコート材

CSD材料とは塗布、焼成することで薄膜を形成する材料群です。バナジウム酸化物薄膜用の材料は、VO₂の物性研究にも応用されております。
CSD材料に関してはこちら

VO₂膜とする場合は不活性ガス中処理が必要です。*
* “Fabrication of V_1-xTi_xO₂ thin films by metal-organic decomposition using carbon thermal reduction”　 Japanese Journal of Applied Physics 58(7)
バナジウム酸化物用CSD材料