希土類ナノ材料 希土類元素は、独特の 4f 副層電子構造、大きな原子磁気モーメント、強いスピン軌道結合などの特性を持ち、非常に豊富な光学的、電気的、磁気的およびその他の特性をもたらします。世界各国の伝統産業の変革やハイテクの発展に欠かせない戦略素材であり、「新素材の宝庫」とも呼ばれています。
冶金機械、石油化学、ガラスセラミックス、軽量繊維などの伝統的な分野での応用に加えて、レアアースまた、クリーンエネルギー、大型自動車、新エネルギー自動車、半導体照明、新型ディスプレイなど、人間の生活に密接な関係がある新興分野の重要な支持材料でもあります。
数十年の開発を経て、それに応じて、レアアース関連研究の焦点は、単一の高純度レアアースの製錬と分離から、磁気、光学、電気、エネルギー貯蔵、触媒作用、生物医学、そして他の分野。一方で、材料システムでは希土類複合材料への傾向が大きくなっています。一方、形態の観点からは低次元機能性結晶材料に重点を置いています。特に現代のナノ科学の発展により、ナノマテリアルの微細サイズ効果、量子効果、表面効果、界面効果と、希土類元素の独特な電子層構造特性を組み合わせることで、希土類ナノマテリアルは従来の材料とは異なる多くの新しい特性を示し、最大限の効果を発揮します。レアアース材料の優れた性能を活かし、伝統的な材料や新しいハイテク製造分野への応用をさらに拡大します。
現在、主に次の非常に有望な希土類ナノ材料、すなわち、希土類ナノ発光材料、希土類ナノ触媒材料、希土類ナノ磁性材料、ナノ酸化セリウム紫外線遮蔽材などのナノ機能材料。
No.1希土類ナノ発光材料
01. レアアース有機・無機ハイブリッド発光ナノ材料
複合材料は、分子レベルで異なる機能単位を組み合わせて、相補的かつ最適化された機能を実現します。有機無機ハイブリッド材料は、有機成分と無機成分の機能を併せ持ち、優れた機械的安定性、柔軟性、熱安定性、優れた加工性を示します。
希土類錯体には、高い色純度、長い励起状態寿命、高い量子収率、豊富な発光スペクトル線など、多くの利点があります。これらは、ディスプレイ、光導波路増幅、固体レーザー、バイオマーカー、偽造防止などの多くの分野で広く使用されています。しかし、希土類錯体の光熱安定性の低さと加工性の悪さが、その応用と促進を大きく妨げています。希土類錯体を良好な機械的特性と安定性を備えた無機マトリックスと組み合わせるのは、希土類錯体の発光特性を改善する効果的な方法です。
レアアース有機無機ハイブリッド材料の開発以来、その開発傾向は次のような特徴を示しています。
① 化学ドーピング法により得られたハイブリッド材料は、活性成分が安定しており、ドーピング量が多く、成分の分布が均一である。
② 単機能材料から多機能材料への転換、多機能材料の開発によりその用途を拡大する。
③ マトリックスはシリカを中心に、二酸化チタン、有機高分子、粘土、イオン液体などの各種基材まで多岐にわたります。
02. 白色LED希土類蛍光体
既存の照明技術と比較して、発光ダイオード（LED）などの半導体照明製品は、長寿命、低エネルギー消費、高い発光効率、水銀フリー、紫外線フリー、安定動作などの利点があります。白熱灯、蛍光灯、高強度ガス放電ランプ（HID）に続く「第4世代光源」と考えられています。
白色 LED は、チップ、基板、蛍光体、ドライバーで構成されます。希土類蛍光粉末は、白色 LED の性能において重要な役割を果たします。近年、白色 LED 蛍光体に関して大量の研究が行われ、素晴らしい進歩が見られました。
① 青色 LED (460m) で励起される新しいタイプの蛍光体の開発では、光効率と演色性を向上させるために、青色 LED チップに使用される YAO2Ce (YAG: Ce) のドーピングと修飾の研究が行われました。
②紫外光（400m）または紫外光（360mm）で励起される新しい蛍光粉末の開発では、赤と緑青の蛍光粉末の組成、構造、スペクトル特性、および3つの蛍光粉末の異なる比率が系統的に研究されています。異なる色温度の白色 LED を取得します。
③ 蛍光粉末の品質と安定性を確保するために、フラックスに対する調製プロセスの影響など、蛍光粉末の調製プロセスにおける基本的な科学的問題についてさらなる研究が行われました。
さらに、白色光LEDは主に蛍光粉末とシリコーンの混合パッケージングプロセスを採用しています。蛍光粉末の熱伝導率が低いため、長時間の使用によりデバイスが加熱され、シリコンの劣化を引き起こし、デバイスの耐用年数が短くなります。この問題は、高出力の白色光 LED では特に深刻です。リモートパッケージングは、蛍光粉末を基板に付着させ、青色LED光源から分離することでこの問題を解決する1つの方法であり、これにより、チップによって発生する熱が蛍光粉末の発光性能に及ぼす影響を軽減します。希土類蛍光セラミックスが高熱伝導率、高耐食性、高安定性、優れた光出力性能の特性を備えていれば、高エネルギー密度の高出力白色LEDのアプリケーション要件をより適切に満たすことができます。高い焼結活性と高い分散性を備えたマイクロナノパウダーは、高い光出力性能を備えた高透明な希土類光機能性セラミックスを作製するための重要な前提条件となっています。
03.レアアースアップコンバージョン発光ナノ材料
アップコンバージョン発光は、発光材料による複数の低エネルギー光子の吸収と高エネルギー光子の放出を特徴とする特別なタイプの発光プロセスです。従来の有機色素分子や量子ドットと比較して、希土類アップコンバージョン発光ナノ材料には、大きなアンチストークスシフト、狭い発光帯域、優れた安定性、低い毒性、高い組織浸透深さ、低い自発蛍光干渉など、多くの利点があります。これらは生物医学分野で幅広い応用の可能性を秘めています。
近年、希土類アップコンバージョン発光ナノ材料は、合成、表面改質、表面機能化、および生物医学的応用において大きな進歩を遂げた。人々は、遷移確率を高めるために、材料の組成、相状態、サイズなどをナノスケールで最適化し、コア/シェル構造を組み合わせて発光消光中心を減らし、材料の発光性能を向上させています。化学修飾により生体適合性に優れ、毒性を低減する技術を確立し、生細胞や生体内でのアップコンバージョン発光イメージング法の開発を行う。さまざまなアプリケーション（免疫検出細胞、生体内蛍光イメージング、光線力学療法、光熱療法、光放出制御薬剤など）のニーズに基づいて、効率的で安全な生物学的カップリング方法を開発します。
この研究には多大な応用の可能性と経済的利益があり、ナノ医療の開発、人間の健康の増進、社会の進歩にとって重要な科学的意義があります。
No.2 希土類ナノ磁性材料
希土類永久磁石材料は、SmCo5、Sm2Co7、Nd2Fe14B の 3 つの開発段階を経ました。ボンド永久磁石材料用の急速急冷 NdFeB 磁性粉末として、粒径は 20 nm ～ 50 nm の範囲にあり、典型的なナノ結晶希土類永久磁石材料となります。
希土類ナノ磁性材料は、サイズが小さく、単磁区構造であり、保磁力が高いという特徴を持っています。磁気記録材料を使用すると、信号対雑音比と画質が向上します。小型で信頼性が高いため、マイクロモーターシステムでの使用は、新世代の航空、航空宇宙、海洋モーターの開発にとって重要な方向性です。磁気メモリ、磁性流体、巨大磁気抵抗材料などは性能が大幅に向上し、デバイスの高性能化と小型化が可能になります。
No.3レアアースナノ触媒材料
希土類触媒材料は、ほぼすべての触媒反応に関与します。表面効果、体積効果、量子サイズ効果により、希土類ナノテクノロジーはますます注目を集めています。多くの化学反応では、希土類触媒が使用されます。希土類ナノ触媒を使用すると、触媒活性と効率が大幅に向上します。
レアアースナノ触媒は、石油の接触分解や自動車の排気ガスの浄化処理に一般的に使用されています。最も一般的に使用される希土類ナノ触媒材料は次のとおりです。CeO2そしてLa2O3、触媒および促進剤としてだけでなく、触媒担体としても使用できます。
No.4ナノ酸化セリウム紫外線遮蔽材
ナノ酸化セリウムは第三世代の紫外線遮断剤として知られており、優れた遮断効果と高い透過率を備えています。化粧品では、触媒活性の低いナノセリアを紫外線遮断剤として使用する必要があります。したがって、ナノ酸化セリウム紫外線遮蔽材料に対する市場の注目と認知度は高い。集積回路の集積度を継続的に改善するには、集積回路チップの製造プロセスに新しい材料が必要です。新素材は研磨液に対する要求が高く、半導体用レアアース研磨液はより速い研磨速度とより少ない研磨量でこの要求を満たす必要があります。ナノレアアース研磨材には幅広い市場があります。
自動車保有台数の大幅な増加は深刻な大気汚染を引き起こしており、自動車の排気浄化触媒の設置が排気汚染を抑制する最も効果的な方法です。ナノセリウムジルコニウム複合酸化物は、排ガス浄化の品質を向上させる上で重要な役割を果たします。
No.5 その他のナノ機能材料
01. レアアースナノセラミック材料
ナノセラミック粉末は焼結温度を大幅に下げることができ、同じ組成の非ナノセラミック粉末よりも200℃〜300℃低くなります。ナノ CeO2 をセラミックに添加すると、焼結温度が低下し、格子成長が抑制され、セラミックの密度が向上します。などの希土類元素を添加すると、Y2O3、 CeO2、 or La2O3 to ZrO2ZrO2の高温相変態や脆化を防止し、ZrO2相変態を強化したセラミック構造材料を得ることができます。
超微細またはナノスケールのCeO2、Y2O3、Nd2O3, Sm2O3など、電気的、熱的、安定性の特性が向上しています。
レアアース活性化光触媒複合材料を釉薬配合に加えることにより、レアアース抗菌セラミックスを調製することができる。
02.レアアースナノ薄膜材料
科学技術の発展に伴い、製品に対する性能要求はますます厳しくなり、製品の超微細化、超薄化、超高密度化、超充填化が求められています。現在、希土類ナノフィルムには、希土類複合ナノフィルム、希土類酸化物ナノフィルム、希土類ナノ合金フィルムの３つの主要なカテゴリーが開発されている。レアアースナノフィルムは、情報産業、触媒、エネルギー、輸送、生命医学でも重要な役割を果たしています。
結論
中国はレアアース資源大国です。レアアースナノ材料の開発と応用は、レアアース資源を有効利用する新しい方法です。レアアースの応用範囲を拡大し、新たな機能性材料の開発を促進するためには、ナノスケールでの研究ニーズに応え、レアアースナノ材料の性能を向上させ、新たな機能性材料を出現させるための材料理論における新たな理論体系を確立する必要がある。新しい特性や機能が可能になります。
投稿日時: 2023 年 5 月 29 日