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電子機器の小型化が進むほど、発熱と部品のゆがみは避けにくくなる。2025年11月、東京科学大学らの研究グループが、温めると縮むうえに磁石とコンデンサの性質を同時に示す新しい鉄酸ビスマス系材料を報告した。強磁性と強誘電性、そして室温での負の熱膨張を兼ね備え、低消費電力の磁気メモリや熱に強い部品設計の切り札になり得ると期待されている。
電子機器の“熱ゆがみ”とメモリ省エネを同時にねらう
高性能スマートフォンやデータセンター用サーバーでは、チップが一瞬で高温になり、基板やパッケージがわずかに膨張する。その差が積み重なると、はんだクラックや配線断線といった故障につながり、補強材などで熱膨張を抑える工夫が欠かせない。だが、電気や磁気の機能を満たしつつ、熱膨張も自在に制御できる材料の選択肢は限られていた。
今回の材料は、ペロブスカイト型酸化物である鉄酸ビスマス（BiFeO3）をベースに、ビスマスをカルシウム、鉄をルテニウムやイリジウムに一部置き換えることで設計された。この工夫により、温度が上がると結晶格子がむしろ縮む「負の熱膨張」が室温近くで現れ、同時に電圧で向きを変えられる分極と、磁石としての性質も保たれるという。
研究チームは、電圧で情報を書き込み、磁気で読み出すような次世代磁気メモリへの応用を見込む。熱で膨らまない基板やスペーサーとして使えば、パッケージ内部の応力を打ち消しつつ、記憶素子そのものも省エネで高速に動作させられる可能性がある。冷却設備や予備機に頼ってきた現在の設計思想を、材料側から変える一歩ともいえる。
鉄酸ビスマスを改造して生まれた「縮む磁性体」
JSTと東京科学大学、神奈川県立産業技術総合研究所、名古屋工業大学などの共同発表によると、この成果は2025年11月28日付で米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載された。実験では大型放射光施設での精密な構造解析も動員され、結晶構造と磁気・電気特性の変化が詳しく追跡されている。
元のBiFeO3は強誘電体だが、磁性は互いに打ち消し合う反強磁性が主で、外から見るとほぼ磁石にならない。今回、Aサイト（ビスマス位置）とBサイト（鉄位置）の両方を別の元素で置換することでスピンの並び方がわずかに傾き、全体として弱いながらも向きの揃った強磁性が現れたとされる。同時に、そのスピンの向きの変化と結晶のひずみが結びつき、加熱時の収縮という特異な振る舞いが引き出された。
東京科学大学とJSTは、ニッケル酸ビスマス（BiNiO3）の圧力による電荷非晶質化を通じて、新しい負熱膨張材料の可能性を示した研究も2025年3月に公表している。同じビスマス系ペロブスカイトでも、今回は圧力ではなく元素置換を使って性質を制御した点が異なる。電荷やスピン、格子の結びつきを多様な「つまみ」として使い分けることで、用途に応じた熱膨張と機能を設計しようという流れが見えてくる。
量産材BNFOとの補完関係と、これからの選択肢
負の熱膨張材料はすでに産業界にも現れ始めている。日本材料技研は、ビスマス・ニッケル・鉄を含む酸化物BNFOで年産1トン規模の量産体制を整え、高温向けグレードBNFO-HTも展開すると公表した。精密樹脂成形部品や導電性ペースト、接着剤など、熱サイクルが厳しい工程での寸法安定化が狙いだ。
BNFOのような材料は主に機械的な寸法変化を補正するために使われるのに対し、今回のBiFeO3系材料は磁性と誘電性も同時に利用できる点が特徴だ。熱膨張制御という観点では役割が重なるが、情報記録やセンサー機能まで一体化した素子を志向できる点で、むしろ補完的な関係にある。回路基板の裏で熱ゆがみを抑える材料と、メモリセルそのものを省エネ化する材料が、それぞれの得意な場所で組み合わさっていく構図が想像される。
もっとも、新しいセラミックスが実際のメモリやパッケージに組み込まれるまでには、薄膜化プロセスや長期信頼性評価など多くのハードルが残る。冷却装置や既存材料でしのぐのか、こうした高機能材料に投資して設計自由度を広げるのか。負熱膨張とマルチフェロイックを両立した今回の成果は、電子機器の熱とエネルギーの「どこまでを材料で解決するか」という、静かな選択の幅を少しだけ押し広げたと言える。
