日本东京科学研究所的研究人员在纤锌矿结构功能材料领域取得重大突破，成功开发出具有显著压电特性的异价三元氮化物MgSiN₂。这项研究成果于2025年2月6日发表在材料科学领域知名期刊《先进电子材料》上，为新一代电子器件和传感器的研发提供了重要材料基础。

突破传统纤锌矿材料局限

纤锌矿结构材料因其特殊的晶体排列方式，在光电转换和压电传感领域具有独特优势。传统纤锌矿材料如氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)虽然性能优异，但由于其固有的三价阳离子结构，存在矫顽电场过高的问题，这在一定程度上限制了它们的应用范围。

研究团队创新性地采用II/IV价异价阳离子替代策略，通过精确控制材料合成条件，成功实现了纤锌矿结构MgSiN₂的稳定制备。这一突破不仅拓展了纤锌矿材料的种类，更为材料性能的优化提供了新的可能性。

多机构合作攻关

这项研究由东京理工大学MDX元素战略研究中心的船久保宏教授领衔，汇集了来自东京理工大学材料科学与工程学院、宾夕法尼亚州立大学、东北大学和上智大学等多个研究机构的专家学者。研究团队充分发挥各自专长，在材料设计、合成工艺和性能表征等方面展开深入合作。

船久保教授表示："这项成果是多学科交叉合作的典范。通过将不同机构的优势资源和技术相结合，我们成功攻克了异价氮化物纤锌矿相稳定的技术难题。"

创新的制备工艺

研究团队采用反应性射频磁控溅射技术，在严格控制的气氛条件下(600°C，富氮环境)，将Mg和Si离子精确沉积成纤锌矿结构的MgSiN₂薄膜。这一工艺的关键在于实现了阳离子的随机有序排列，从而保证了材料的压电性能。

"与传统方法相比，我们的制备工艺具有更好的可控性和重复性，"参与研究的影山宗太郎解释道，"这为后续的产业化应用奠定了重要基础。"

优异的材料性能

通过X射线衍射、透射电子显微镜和压响应力显微镜等先进表征手段，研究团队对材料的性能进行了全面评估。测试结果显示：

压电性能：逆压电系数d₃₃达到2.3 pm/V，与常规压电材料相当

带隙特性：直接带隙5.9 eV，间接带隙5.1 eV，表现出优异的绝缘性能

热稳定性：在高温环境下仍能保持良好的性能稳定性

这些特性使MgSiN₂在超声波换能器、微机电系统(MEMS)和能量收集装置等领域具有广阔的应用前景。

未来研究方向

研究团队指出，下一步将重点优化材料的铁电性能，通过调整沉积参数和退火工艺，进一步提高材料的极化切换效率。同时，他们计划探索更多异价三元氮化物体系，以丰富纤锌矿结构材料家族。

"这项研究只是开始，"船久保教授强调，"我们将继续深入探索纤锌矿结构材料的性能极限，为电子材料领域带来更多创新突破。"

随着研究的不断深入，纤锌矿结构MgSiN₂有望成为下一代功能材料的重要候选，为电子器件的小型化、高性能化提供新的解决方案。

更多信息： Sotaro Kageyama 等人，《反应溅射法制备异价三元 MgSiN2 薄膜中非平衡纤锌矿结构的实现》，《先进电子材料》(2025)。