テルビウム重い部類に属しますレアアース、地球の地殻中に存在する量はわずか 1.1 ppm と少ないです。酸化テルビウムは全レアアースに占める割合が 0.01% 未満です。テルビウムの含有量が最も多い高イットリウムイオン型重レアアース鉱石であっても、テルビウムの含有量はレアアース全体の1.1～1.2％に過ぎず、レアアース元素の中では「貴い」部類に属します。 1843年にテルビウムが発見されて以来、100年以上にわたり、その希少性と価値のため、長らく実用化が妨げられてきました。テルビウムがその類まれな才能を発揮したのは、ここ 30 年のことです。
歴史を発見する
スウェーデンの化学者カール グスタフ モサンダーは 1843 年にテルビウムを発見しました。彼はその不純物を次の物質に発見しました。酸化イットリウム(III)そしてY2O3。イットリウムの名前はスウェーデンのイッテルビー村にちなんで命名されました。イオン交換技術が出現する前は、テルビウムは純粋な形で分離されていませんでした。
Mosant は最初に酸化イットリウム(III) を 3 つの部分に分割し、すべて鉱石にちなんで名付けられました。酸化エルビウム(III)、酸化テルビウム。酸化テルビウムは、現在エルビウムとして知られている元素により、元々はピンク色の部分で構成されていました。 「酸化エルビウム(III)」（現在テルビウムと呼ばれるものを含む）は、もともと溶液中の本質的に無色の部分でした。この元素の不溶性酸化物は茶色と考えられます。
その後の作業者は、小さな無色の「酸化エルビウム(III)」をほとんど観察できませんでしたが、可溶性のピンク色の部分は無視できませんでした。酸化エルビウム(III)の存在についての議論は繰り返し起こっています。混乱の中で元の名前が逆転し、名前の交換が行き詰まったため、最終的にピンクの部分はエルビウムを含む溶液として言及されました（溶液ではピンクでした）。現在では、重硫酸ナトリウムまたは硫酸カリウムを使用する労働者は次のような症状を引き起こすと考えられています。酸化セリウム(IV)酸化イットリウム(III) から生成され、意図せずしてテルビウムがセリウムを含む沈殿物に変わってしまいます。現在「テルビウム」として知られている元の酸化イットリウム(III) の約 1% だけが、酸化イットリウム(III) を黄色がかった色にするのに十分です。したがって、テルビウムは最初に含まれていた二次成分であり、そのすぐ隣のガドリニウムとジスプロシウムによって制御されています。
その後、他の希土類元素がこの混合物から分離されるたびに、酸化物の割合に関係なく、最終的にテルビウムの褐色酸化物が純粋な形で得られるまで、テルビウムの名前は維持されました。 19 世紀の研究者は、明るい黄色や緑色の小塊 (III) を観察するのに紫外蛍光技術を使用しなかったため、テルビウムは固体混合物または溶液中で認識されやすくなりました。
電子配置
電子配置:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
テルビウムの電子配置は [Xe] 6s24f9 です。通常、核電荷が大きくなりすぎてさらにイオン化できない前に除去できる電子は 3 つだけですが、テルビウムの場合、半充填テルビウムにより、フッ素ガスなどの非常に強力な酸化剤の存在下で 4 番目の電子がさらにイオン化されます。
テルビウムは銀白色の希土類金属で、延性、靭性、そしてナイフで切れる柔らかさを備えています。融点1360℃、沸点3123℃、密度8229 4kg/m3。初期のランタニドと比較すると、空中でも比較的安定しています。ランタニドの9番目の元素であるテルビウムは、強い電気をもつ金属です。水と反応して水素を生成します。
自然界では、テルビウムが遊離元素であることが発見されたことはなく、リンセリウム トリウム砂およびガドリナイトに少量存在します。テルビウムはモナザイト砂中に他の希土類元素と共存しており、テルビウム含有量は通常 0.03% です。他の供給源としては、ゼノタイムと黒色の希少な金鉱石があり、どちらも酸化物の混合物であり、最大 1% のテルビウムが含まれています。
応用
テルビウムの応用には主に、技術集約的で知識集約的な最先端のプロジェクトであるハイテク分野や、大きな経済的利益をもたらし、魅力的な開発の見通しを持つプロジェクトが含まれます。
主な応用分野は次のとおりです。
(1) 混合レアアースの形で利用される。例えば、農業用のレアアース配合肥料や飼料添加物として使用されています。
(2) 3 つの主要な蛍光粉末の緑色粉末の活性剤。最新のオプトエレクトロニクス材料では、さまざまな色を合成するために使用できる 3 つの基本色の蛍光体、つまり赤、緑、青の使用が必要です。そしてテルビウムは、多くの高品質の緑色蛍光粉末に不可欠な成分です。
(3) 光磁気記憶材料として使用されます。アモルファス金属テルビウム遷移金属合金薄膜は、高性能光磁気ディスクの製造に使用されてきました。
(4) 磁気光学ガラスの製造。テルビウムを含むファラデー回転ガラスは、レーザー技術における回転子、アイソレータ、サーキュレータを製造するための重要な材料です。
(5) テルビウム・ジスプロシウム強磁歪合金（TerFenol）の開発・開発により、テルビウムの新たな用途が開拓されました。
農業および畜産用
希土類テルビウムは作物の品質を向上させ、特定の濃度範囲内で光合成速度を高めることができます。テルビウム錯体は高い生物活性を持っています。テルビウムの三元複合体、Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 ・ 3H2O は、黄色ブドウ球菌、枯草菌、大腸菌に対して優れた抗菌効果と殺菌効果を持っています。広い抗菌スペクトルを持っています。このような複合体の研究は、現代の殺菌薬に新しい研究の方向性をもたらします。
発光分野で使用される
最新のオプトエレクトロニクス材料では、さまざまな色を合成するために使用できる 3 つの基本色の蛍光体、つまり赤、緑、青の使用が必要です。そしてテルビウムは、多くの高品質の緑色蛍光粉末に不可欠な成分です。レアアースカラーのテレビ用赤色蛍光粉の誕生がイットリウムやユーロピウムの需要を刺激したとすれば、テルビウムのランプ用レアアース三原色緑色蛍光粉の応用開発が促進された。 1980 年代初頭、フィリップスは世界初の小型省エネ蛍光灯を発明し、すぐに世界中に広めました。 Tb3+ イオンは波長 545nm の緑色光を放出でき、ほとんどすべての希土類緑色蛍光体は活性化剤としてテルビウムを使用します。
カラー TV 陰極線管 (CRT) の緑色蛍光体は、安価で効率的な硫化亜鉛をベースにしてきたが、プロジェクション カラー TV の緑色蛍光体としては、Y2SiO5 ∶ Tb3+、Y3 ( Al、Ga) 5O12 ∶ Tb3+ および LaOBr ∶ Tb3+。大画面高精細テレビ (HDTV) の発展に伴い、CRT 用の高性能緑色蛍光粉末も開発されています。例えば、海外では、Y3(Al,Ga)5O12:Tb3+、LaOCl:Tb3+、Y2SiO5:Tb3+からなるハイブリッド緑色蛍光粉末が開発されており、高電流密度での発光効率に優れている。
従来の X 線蛍光粉末はタングステン酸カルシウムです。 1970年代から1980年代にかけて、テルビウム賦活硫黄酸化ランタン、テルビウム賦活臭素酸化ランタン（グリーンスクリーン用）、テルビウム賦活硫黄酸化イットリウム(III)などの増感紙用希土類蛍光体が開発されました。タングステン酸カルシウムと比較して、希土類蛍光粉末は患者へのX線照射時間を80%短縮できます。 X 線フィルムの解像度を向上させ、X 線管の寿命を延ばし、エネルギー消費を削減します。テルビウムは、医療用 X 線増強スクリーンの蛍光粉末活性化剤としても使用されており、これにより X 線の光学画像への変換感度が大幅に向上し、X 線フィルムの鮮明度が向上し、X 線の被曝線量を大幅に低減できます。人体への放射線の影響（50％以上）。
テルビウムは、新しい半導体照明用の青色光によって励起される白色 LED 蛍光体の活性化剤としても使用されます。青色発光ダイオードを励起光源として使用し、テルビウムアルミニウム磁気光学結晶蛍光体の製造に使用でき、生成された蛍光が励起光と混合されて純白色光が生成されます。
テルビウムで作られたエレクトロルミネセンス材料には、主にテルビウムを付活剤とした硫化亜鉛緑色蛍光体が含まれます。紫外線照射下で、テルビウムの有機錯体は強い緑色の蛍光を発することができ、薄膜エレクトロルミネセンス材料として使用できます。希土類有機錯体エレクトロルミネッセンス薄膜の研究は大きく進んでいますが、実用化にはまだ一定のギャップがあり、希土類有機錯体エレクトロルミネッセンス薄膜およびデバイスの研究はまだ深まっていません。
テルビウムの蛍光特性は蛍光プローブとしても使用されます。たとえば、オフロキサシン テルビウム (Tb3+) 蛍光プローブを使用して、オフロキサシン テルビウム (Tb3+) 複合体と DNA (DNA) の間の相互作用を蛍光スペクトルと吸収スペクトルによって研究しました。これは、オフロキサシン Tb3+ プローブが DNA 分子と結合する溝を形成できることを示しています。そして DNA はオフロキサシン Tb3+ システムの蛍光を大幅に増強することができます。この変化に基づいて DNA を決定することができます。
磁気光学材料用
ファラデー効果を有する材料は磁気光学材料としても知られ、レーザーやその他の光学デバイスに広く使用されています。磁気光学材料には、磁気光学結晶と磁気光学ガラスの 2 つの一般的なタイプがあります。中でも、磁気光学結晶（イットリウム鉄ガーネットやテルビウムガリウムガーネットなど）は、動作周波数が調整可能で熱安定性が高いという利点がありますが、高価で製造が困難です。さらに、ファラデー回転角が大きい磁気光学結晶の多くは短波長域での吸収が大きいため、その使用が制限されています。磁気光学ガラスは、磁気光学結晶に比べて透過率が高く、大きなブロックやファイバーにしやすいという利点があります。現在、ファラデー効果の高い磁気光学ガラスは、希土類イオンをドープしたガラスが主流である。
光磁気記録材料に使用される
近年、マルチメディアやOAの急速な発展に伴い、新たな大容量磁気ディスクの需要が高まっています。アモルファス金属テルビウム遷移金属合金膜は、高性能光磁気ディスクの製造に使用されてきました。その中でもTbFeCo合金薄膜が最も優れた性能を持っています。テルビウムベースの光磁気材料は大規模に生産されており、それから作られた光磁気ディスクはコンピュータの記憶装置コンポーネントとして使用され、記憶容量は 10 ～ 15 倍に増加します。大容量でアクセス速度が速いという利点があり、高密度光ディスクに使用すると数万回のワイピングやコーティングが可能です。これらは電子情報記憶技術における重要な材料です。可視および近赤外帯域で最も一般的に使用される磁気光学材料はテルビウム ガリウム ガーネット (TGG) 単結晶で、ファラデー回転子およびアイソレータの製造に最適な磁気光学材料です。
磁気光学ガラス用
ファラデー磁気光学ガラスは、可視領域および赤外領域において良好な透明性と等方性を有しており、さまざまな複雑な形状を形成することができます。大型製品の製造が容易であり、光ファイバーへの線引きも可能です。したがって、光磁気アイソレータ、光磁気変調器、光ファイバ電流センサーなどの光磁気デバイスへの幅広い応用の可能性があります。 Tb3+ イオンは、磁気モーメントが大きく、可視および赤外領域での吸収係数が小さいため、磁気光学ガラスで一般的に使用される希土類イオンとなっています。
テルビウム・ジスプロシウム強磁歪合金
20世紀末、世界の科学技術革命の深化に伴い、新しいレアアース応用材料が急速に出現しています。 1984年、米国アイオワ州立大学、米国エネルギー省エイムズ研究所、米国海軍水上兵器研究センター（後に設立されたアメリカン・エッジ・テクノロジー・カンパニー（ET REMA）の主な人材は、同センター）は、新しいレアアース・スマート材料、すなわちテルビウム・ジスプロシウム鉄超磁歪材料を共同開発した。この新しいスマート材料は、電気エネルギーを機械エネルギーに素早く変換する優れた特性を持っています。この巨大な磁歪材料で作られた水中および電気音響トランスデューサは、海軍機器、油井検出スピーカー、騒音および振動制御システム、海洋探査および地下通信システムでうまく構成されています。そのため、テルビウム・ジスプロシウム鉄巨大磁歪材料は誕生するやいなや、世界中の先進国から大きな注目を集めました。米国の Edge Technologies は 1989 年にテルビウム ジスプロシウム鉄巨大磁歪材料の生産を開始し、これを Terfenol D と名付けました。その後、スウェーデン、日本、ロシア、英国、オーストラリアもテルビウム ジスプロシウム鉄巨大磁歪材料を開発しました。
米国におけるこの材料の開発の歴史から、この材料の発明とその初期の独占的用途は両方とも軍事産業（海軍など）に直接関連しています。中国の軍部と国防省はこの資料に対する理解を徐々に強めているが。しかし、中国の総合国力が大幅に増大したことを受けて、21世紀の軍事競争戦略の実現と装備水準の向上が急務となることは間違いない。したがって、軍および国防部門によるテルビウム ジスプロシウム鉄巨大磁歪材料の広範な使用は歴史的必然となるでしょう。
つまり、テルビウムの多くの優れた特性により、テルビウムは多くの機能性材料に不可欠な要素となり、一部の応用分野ではかけがえのない地位を占めています。しかし、テルビウムの価格が高いため、生産コストを削減するためにテルビウムの使用を避け、最小限に抑える方法が研究されてきました。たとえば、希土類磁気光学材料には、できるだけ低コストのジスプロシウム鉄コバルトやガドリニウムテルビウムコバルトを使用する必要があります。使用する必要がある緑色蛍光粉末中のテルビウムの含有量を減らすようにしてください。価格はテルビウムの広範な使用を制限する重要な要因となっています。しかし、多くの機能性材料はテルビウムなしでは成り立ちません。そのため、「刃には良質な鋼を使用する」という原則を遵守し、テルビウムの使用を可能な限り節約するように努める必要があります。
投稿日時: 2023 年 7 月 5 日