特集　ScとY

プラズマからChemistryを取り出してモノをつくる

総論-ScとY
大阪大学大学院工学研究科 教授　今中　信人
大阪大学大学院工学研究科 准教授　増井　敏行
イットリウム(Y)は,原子番号39の元素であり,銀色の金属である.第5周期,第3属の遷移元素であるが,その電子配置とイオン半径の大きさが,ランタノイド(La〜Lu)に類似していることから,希土類元素のひとつとして分類されている.その応用は多岐にわたっており,先端材料には欠かせない元素のひとつとなっている.
酸化イットリウム(Y2O3)は最も重要なイットリウム化合物で,数多くの応用がなされている.ブラウン管式カラーテレビや,蛍光灯,液晶バックライトの赤色を発色する蛍光体は,これを原料としてつくられたYVO4:Eu3+,Y2O2S:Eu3+,およびY2O3:Eu3+が使用されている(本特集第4章).また,液体窒素温度以上で超伝導体となる,Yba2Cu3O7-δ(YBCO)複合酸化物は極めて有名である(本特集第5章).さらに,酸化イットリウムは立方晶の安定化ジルコニアの形成に極めて有用な役割を果たしており,その高い機械的強度は構造材料としてふさわしいだけでなく,ジルコニア中に酸化物イオン欠陥を生成させることで酸化物イオン導電性を著しく向上させる.この機能は自動車用の酸素センサ用材料として実用化されている.そして,これらの知見を生み出すには,状態図に関する検討が欠かせない(本特集第1章).
イットリウム・鉄・ガーネット(Y3Fe5O12)は有用なマイクロ波フィルタであるほか,音響エネルギー発信機および変換器として有用である.イットリウム・アルミニウム・ガーネットにネオジムやエルビウムを固溶させたものは,機械加工用や歯科医療用の赤外線レーザーとして使用される.セリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12; YAG)は黄色の蛍光を示すため,青色発光LEDと組み合わせて,白色LEDとして実用化されている.また,硬度が8.5もあるため,宝石(模造ダイヤモンド)としても用いられる.最近では,Y90の微小球が,切除不可能な肝細胞癌の放射線治療剤として応用できることが示された.このほかにも,イットリウムは,窒化ケイ素の焼結助剤や,低い熱膨張特性を利用して陶器やガラスの強化剤としても用いられる.
一方,スカンジウムは,原子番号21の元素であり,銀白色の金属である.イオン半径が他の希土類元素に比べ小さいが,周期表においてイットリウムと同じ3族元素にあるため,これも希土類元素のひとつとして分類されている.様々な材料において華々しい活躍をしているイットリウムに比べ,スカンジウムは地味である.軽量で,強度が大きい高機能素材であるアルミニウム-スカンジウム合金(Al3Sc)として,航空宇宙用部品,スボーツ用品 (自転車,野球のバット,射撃,ラクロスのスティックなど) の材料として用いられているものの,軽さや強度が近く,価格の安いチタンの方がはるかに多く利用されている.他には,ヨウ化スカンジウムが水銀灯の明度向上の添加剤として用いられることや,トリフルオロメタンスルホン酸スカンジウムが,有機化学においてルイス酸触媒として用いられるぐらいである.
このように,スカンジウムは工業的な応用があまりないため,酸化スカンジウムの価格は酸化イットリウムと比べ,試薬レベルで10倍,工業レベルでは約1000倍となっている.幅広い用途がないので価格が下がらないという悪循環を断ち切るためには,スカンジウムの新しい用途を切り開くしかない(本特集第2章).
こうした中,安定化ジルコニアの添加元素として,イットリウムよりもスカンジウムを加えた方が,酸化物イオン伝導性は高くなることはずいぶん前から知られていた.近年,燃料電池の固体酸化物燃料電池の電解質として,工業生産されるようになった(本特集第4章).また,白色LEDの演色性を高めるために用いられる緑色の蛍光体として,スカンジウムの複合酸化物を母体とする新しい材料がごく最近開発された(本特集第3章).また,スカンジウム錯体が,従来の有機合成触媒にはみられない特異な重合活性や反応性を持つことが見いだされた(本特集　第6章).スカンジウムを伝導種とする新しいイオン伝導体(本特集第8章)や,電子移動化学における重要な役割(本特集第7章)など,これまで思いもよらなかった新しい事実も見いだされている.これらの成果により,これまで高価であるため,研究開発があまり進まなかったスカンジウムが安価に供給されることが期待される.
本特集では,華々しい活躍を続けているイットリウムと,これからの活躍が望まれているスカンジウムに焦点を当て,これらを用いた材料に関する選りすぐりのトピックスを集めた.本特集がこれらの元素の新たな応用を切り開く突破口となることを願っている.


YあるいはScを含む酸化物材料の結晶構造と状態図
■著者
東京工業大学　大学院総合理工学研究科　准教授　八島　正知

■要約
本記事では,(1) ジルコニア含有系の状態図,(2) イットリアと酸化タンタルの化合物Y1-xTaxO3/2+xの結晶構造および (3) イットリアを添加したセリアの結

晶構造について解説する.


ScとYの実用化の現状
■著者
信越化学工業株式会社　新金属部　准教授　斎藤　文彦

■要約
イットリウム (Y) ,スカンジウム (Sc) はランタン (La) 〜ルテチウム (Lu) のランタノイド元素とあわせて希土類 (Rare Earths) 呼ばれる元素群の元素で

ある.これら元素の発見は比較的古くイットリウムは1794年Gadorinにより,スカンジウム1879年Nilsonにより発見されている.また元素としての存在量は比較的多く地殻に最も多く存在するSiに対してYで38ppm,Scで50ppmの存在量がありPb~6ppm,Sn~2ppmなどと比較しても多い.しかし抽出が困難であるのと,多種の岩石中に薄く広く分布していることにより,Rare(稀)な元素として扱かわれてきた.これら希土類元素は,現代の様々な電子機器,エネルギー機器などに多用されており,希土類元素なしでは世の中が成り立たないまでに重要な元素になっている.特にイットリウム (Y) は幅広い用途で利用され添加剤として材料への機能付加や最近では,主剤としての用途も開発,利用されている.


Scを含む新しいLED用蛍光体
■著者
(株)三菱化学科学技術研究センター　下村　康夫　他

■要約
蛍光体におけるScは,母体結晶を構成する成分のひとつではあるが,発光中心の置換サイトではない.Scは,“La, Gd, Yより小さく,B, Alよりは大きい3価イオン”として,蛍光体に適した結晶母体を提供するのに寄与した,と言うことができる.このような蛍光体の別の例として,YAl3(BO3)4:Gd3+の一部をScで置換した紫外発光蛍光体が報告されている.Scは,最近,蛍光体の構成元素として注目されている,と言えるのではないかと思う.


酸化物イオン導電体でのSc, Yの役割
■著者
三重大学　工学研究科　教授　武田　保雄　他

■要約
代表的な酸化物イオン導電体である,安定化ジルコニアでの添加イオンとその導電性および安定性について解説した.とくに,Sc添加安定化ジルコニアの高い導電性を他の系と比較検討した.


高温超伝導体でのYの働き
■著者
芝浦工業大学　工学部材料工学科　教授　村上 雅人

■要約
臨界電流を高めるためには,磁束ピニングという作用が必要となる.ピニングは2次元性が強くなるほど,逆に弱くなるという傾向がある.Y系は,ある程度の臨界温度を保ちながら,しかも臨界電流も高いという側面を有しており,これが応用において重宝される理由である.


精密重合を可能とするSc, Y系錯体
■著者
独立行政法人理化学研究所　中央研究所　主任研究員　侯　召民　他

■要約
これまで,有機希土類金属錯体は取扱いが困難であるため,希土類金属の特性を活かした研究は極めて限られていた.しかし,適切な「配位子」を用いて金属周りを立体的かつ電子的に制御することにより,これまで合成することが困難とされていた一連の希土類金属ジアルキル錯体が開発され,大きな発展期を迎えた.これらのジアルキル錯体から得られるカチオン性希土類金属モノアルキル種は,極めて高い活性と選択性をもつ「シングルサイト」触媒であり,従来の触媒には見られない特異な重合活性や反応性を有する.これを重合触媒として用いることにより,従来の触媒では合成不可能な新規ポリマー材料の合成が可能となった.


電子移動化学におけるSc, Yの展開
■著者
大阪大学大学院　工学研究科　助教, SORST (JST)　末延　知義　他

■要約
本稿では,主にScとYを利用する電子移動化学の最近の研究展開について筆者らの研究成果を中心に解説する.


Sc3+, Y3+を伝導種とするイオン伝導体
■著者
大阪大学大学院工学研究科　助教　田村　真治　他

■要約
本稿では,3価イオンの中でもSc3+,Y3+イオンを伝導種とする固体電解質について,その結晶構造別に解説する.


連載
第2次世界大戦後の日本のセラミックス科学の発達に友好や親善に尽力した世界の大学教授や科学者 (33)若くして教授となり,人の話を聞いてまとめるのが非常にうまく,J. European Ceramic SocietyのEditor in Cheifを長年つとめ,国際的に活躍しているイギリスProfessor Sir Richard Brook
■著者
宗宮　重行