YbN 合金化により AlN 薄膜の熱伝導を大幅抑制

熱伝導率をガラス極限まで低減

2026年1月28日
早稲田大学

YbN 合金化により AlN 薄膜の熱伝導を大幅抑制

～熱伝導率をガラス極限まで低減～

 

詳細は早稲田大学HPをご覧ください

【表：https://kyodonewsprwire.jp/prwfile/release/M102172/202601273105/_prw_PT1fl_RvPoaeH0.png】

　熱的な絶縁材料は、温度を安定に保つために重要な役割を果たし、産業設備や電子デバイスなど幅広い分野で利用されています。従来、結晶周期性を持たないガラス材料は、低い熱伝導率を示す断熱材料として知られていますが、長期使用や高温環境では構造安定性に課題がありました。一方、結晶材料は一般的に構造的に安定であるが、ガラス並みに熱を通しにくくすることは困難でした。結晶構造がありながら、超低熱伝導特性を同時に実現できれば、熱遮断結晶層として熱輸送を選択的に制御する新たな材料プラットフォームを提供できます。

　早稲田大学理工学術院の賈軍軍（じゃ じゅんじゅん）教授、早稲田大学理工学術院の柳谷隆彦（やなぎたに たかひこ）教授らの研究グループは、広く産業利用されている材料であるアルミニウム窒化物（AlN）をイッテルビウム窒化物 （YbN） と合金化することにより、AlNの結晶構造を保持したまま、その熱伝導率をガラス状態に迫るレベルまで劇的に低減できることを新たに見出しました。このような超低熱伝導特性は、長期にわたり安定した温度環境が求められる多くの産業用途において極めて有用であり、電子デバイスや化学反応炉における断熱材料などへの応用が期待されます。

　本研究成果は2026年1月1日に「Acta Materialia」に公開されました。

 

（１）これまでの研究で分かっていたこと

　AlN をベースとする三元系窒化物合金は、高周波（RF）デバイス、パワーエレクトロニクス、ならびに耐摩耗性保護ハードコーティングといった先端技術分野において中核的な材料であり、その性能および信頼性は熱伝導率の大きさやその制御のあり方に強く依存しています。一般に高出力デバイスでは、稼働時の温度上昇を抑制するため、高い熱伝導率を有する散熱材料が求められます。一方で、温度を保持するなど特定の機能を活用する応用においては、熱輸送を抑制する断熱材が必要となります。

　しかし、AlN 系合金におけるフォノン輸送機構に関する基礎的理解はいまだ十分とは言えません。これまでの多くの理論研究は半経験的モデルを持っており、高度に不規則化した窒化物合金中における複雑なフォノンダイナミクスを十分に捉えることができていませんでした。その結果、材料設計における予測精度が制限され、物性の協調最適化を伴う効果的な熱マネジメントを実現できていませんでした。

 

（２）新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

　本研究では、機械学習ポテンシャルを用いた平衡分子動力学シミュレーションと、熱輸送モード分解を行うための準調和グリーン–久保（Green–Kubo）法を組み合わせた最先端の理論手法を用い、従来の古典的モデルでは説明できなかった物理機構を解明しました。

　その結果、AlN に YbN を合金化した (Yb,Al)N 薄膜では、従来とは異なる“異常な”熱輸送の仕組みが働いていることがわかりました。具体的には、5 THz 以下の低周波数領域において、熱を運ぶ原子振動の伝わり方が通常の合金材料とは異なる挙動を示します。一般に、合金化を行うと、熱の伝わりは弱くなると考えられていますが、(Yb,Al)N では Yb 濃度が増加するほど、熱を運ぶ振動の速さが逆に高まるという、従来の常識に反する振る舞いが観測されました。この反常な振る舞いにより、5 THz 以下の低周波数領域では熱拡散率がほぼ一定に保たれ、古典的な点欠陥散乱モデルを超える、より複雑な格子再構成が存在することが示唆されます。

　また、実験の結果、YbN との合金化により、AlN 結晶の熱伝導率は単結晶 AlN の 320 W/(m·K) から 0.98 W/(m·K) 以下へと大幅に低減することが明らかになりました。この値は、結晶性 AlN 系材料として過去最低レベルであり、ガラス材料に近い断熱性能を結晶構造のまま実現した点が大きな特徴です。一方、広く実用化されている (Sc,Al)N 合金では、最も低い場合でも熱伝導率は 3.03 W/(m·K) にとどまります。この大きな差について、YbとAlイオン半径の大きな不整合（ionic mismatch）が熱を遮る性能を最大化する重要な設計要因であると示唆しました。これらの知見は、イオンサイズや質量など化学的な不規則性を有する窒化物合金における熱輸送に対して、新たなパラダイムを確立するものであります。

 

（３）研究の波及効果や社会的影響

　本研究では、AlNに低コストなYbNを合金化することで、結晶構造を維持したまま、ガラスのような超低熱伝導率を実現することに成功しました。この成果は、セラミックス合金材料中の化学的不規則性を精密に設計することで、結晶性セラミックス合金において、従来は困難であった超低熱伝導特性を達成できる可能性を示しています。この新たな化学設計手法は、次世代圧電デバイスにおける高度な熱マネジメントのための重要な材料設計指針を与えることが期待されます。さらに、これらの結晶性窒化物セラミックス合金薄膜は、マグネトロンスパッタリングなどの既存成膜手法により、容易かつスケーラブルに作製可能です。そのため、この新たな化学設計手法および関連製造プロセスは、高エネルギー効率を実現する産業システムの基盤技術として、電子デバイスやエネルギーシステム分野において、広範で深い社会的波及効果をもたらすことが期待されます。

 

（４）課題、今後の展望

　本研究では、広く産業利用されている材料であるアルミニウム窒化物（AlN）を YbN と合金化することで、AlNの結晶構造を保持したまま、その熱伝導率をガラス状態に迫るレベルまで劇的に低減できることが成功しました。一方、本研究は主に基礎的な物性解明に焦点を当てたものであり、実用化に向けてはいくつかの課題が残されています。例えば、Ybを含む材料系におけるコストや資源制約、ならびに既存デバイスプロセスとの整合性について、今後さらに検討が必要です。今後、今回得られた知見を基に、AlN に限らず他の窒化物材料や関連セラミックス材料への展開も視野に入れつつ、合金組成やプロセス条件の最適化を進めることで、人工的なフォノンガラス材料群の創出及び断熱結晶材料設計・開発に関する新たな指針を確立し、将来的な社会実装への展開を目指します。

 

（５）研究者のコメント

　熱を通しにくい材料は、エネルギーの無駄を減らすためにとても重要です。今回、材料の結晶構造を保ったまま、ガラスのように熱を通しにくい材料を実現できました。身近な電子機器から将来の省エネルギー技術まで、幅広い分野で役立つ材料につながると考えています。

 

（６）用語解説

※1　窒化物合金

　窒素を共通アニオンとし、複数の金属元素が同一結晶格子の陽イオンサイトを占有する固溶体材料であり、結晶構造を維持したまま多様な物性制御を可能とする材料群である。

 

※2　フォノンエンジニアリング

　物質の結晶構造、化学的不規則性、欠陥、界面設計などを通じてフォノンの分散、散乱、輸送機構を制御し、所望の熱物性を実現する手法である。

 

（７）論文情報

雑誌名：Acta Materialia

論文名：Tailoring thermal transport in (Sc,Yb)AlN thin films to the glassy limit

執筆者名（所属機関名）：Ziyan Qian(a) * 、Guangwu Zhang(a)、Zhanyu Lai(b)、Ayaka Hanai(b)、Yixin Xua、Guang Wang(a)、Yang Lu(a)、Jiaqi Gu(a)、Yanguang Zhou(a)、Takahiko Yanagitani(b)、Junjun Jia(b,c)

a：香港科技大学

b：早稲田大学 理工学術院 先進理工学研究科

c：早稲田大学 理工学術院 国際理工センター

掲載日時：2026年1月1日

掲載URL：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121767

DOI：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121767

*：責任著者

 

（８）研究助成

研究費名：科学研究費 基盤研究（B）

課題番号：25K01296

研究課題名：高次モードScAlNエピブラッグ反射器を用いたマイクロセンサ

研究代表者名（所属機関名）：柳谷 隆彦（早稲田大学）