テルビウム重いカテゴリーに属する希土類元素テルビウムは地殻中にわずか1.1ppmしか存在せず、希土類元素全体の0.01%未満しか占めていません。テルビウム酸化物は、希土類元素全体の0.01%未満を占めています。テルビウム含有量が最も高い高イットリウムイオン型重希土類鉱石でさえ、テルビウム含有量は希土類元素全体の1.1～1.2%に過ぎず、希土類元素の中でも「貴金属」に分類されます。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高さから実用化は長らく阻まれてきました。テルビウムが独自の才能を発揮し始めたのは、ここ30年ほどのことです。
歴史の発見
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た。彼はその不純物を酸化イットリウム(III)そしてイットリウムイットリウムはスウェーデンのイッテルビー村にちなんで名付けられました。イオン交換技術が登場する以前は、テルビウムは純粋な形で単離されていませんでした。
モサントは最初にイットリウム(III)酸化物を3つの部分に分け、すべて鉱石にちなんで名付けました。イットリウム(III)酸化物、酸化エルビウム(III)、そして酸化テルビウムです。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由来し、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ている元素を含む）は、元々は溶液中で実質的に無色の部分でした。この元素の不溶性の酸化物は茶色と考えられています。
その後、研究者たちは無色の小さな「エルビウム(III)酸化物」をほとんど観察できなかったものの、可溶性のピンク色の部分は無視できなかった。エルビウム(III)酸化物の存在をめぐる議論は繰り返し巻き起こった。混乱の中で、当初の名称が逆転し、名称の交換が行き詰まったため、ピンク色の部分は最終的にエルビウムを含む溶液（溶液中ではピンク色）として言及されるようになった。現在では、重亜硫酸ナトリウムや硫酸カリウムを使用する研究者は、酸化セリウム(IV)イットリウム(III)酸化物からテルビウムが分離し、意図せずセリウムを含む沈殿物に変化してしまうことがあります。現在「テルビウム」として知られている元のイットリウム(III)酸化物の約1%だけでも、イットリウム(III)酸化物に黄色みがかった色を与えるのに十分です。したがって、テルビウムは元々イットリウム(III)酸化物を含んでいた二次的な成分であり、そのすぐ隣にある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、この混合物から他の希土類元素が分離されるたびに、酸化物の割合に関わらず、テルビウムの名称が保持され、最終的に純粋なテルビウムの茶色の酸化物が得られるまで続きました。19世紀の研究者たちは、明るい黄色または緑色のノジュール(III)を観察するために紫外線蛍光技術を使用しませんでした。そのため、固体混合物や溶液中のテルビウムはより容易に認識できました。
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それ以上イオン化できなくなる前に、3つの電子しか除去できませんが、テルビウムの場合は、半充填されたテルビウムであるため、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ほどの柔らかさを備えています。融点は1360℃、沸点は3123℃、密度は8229・4kg/m³です。初期のランタノイド元素と比較して、空気中で比較的安定しています。ランタノイド元素の9番目の元素であるテルビウムは、強い電気を帯びた金属で、水と反応して水素を生成します。
自然界では、テルビウムは自由元素として発見されたことはありませんが、リン酸セリウムトリウム砂やガドリナイトに少量存在します。モナザイト砂では、テルビウムは他の希土類元素と共存しており、通常0.03%のテルビウムを含有しています。その他の供給源としては、ゼノタイムや黒金鉱石が挙げられます。どちらも酸化物の混合物であり、最大1%のテルビウムを含有しています。
応用
テルビウムの応用は、主にハイテク分野に関係しており、これは技術集約型および知識集約型の最先端プロジェクトであるとともに、大きな経済的利益があり、魅力的な開発の見通しがあるプロジェクトでもあります。
主な応用分野は次のとおりです。
（1）混合希土類元素として利用される。例えば、農業用の希土類複合肥料や飼料添加物として利用される。
（2）三原色蛍光粉末の緑色粉末用活性剤。現代の光電子材料では、赤、緑、青の三原色蛍光体を用いることで様々な色を合成することができます。テルビウムは多くの高品質緑色蛍光粉末に不可欠な成分です。
（３）光磁気記録材料としての応用。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利用されている。
（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、サーキュレータの製造に重要な材料です。
（５）テルビウムジスプロシウム強磁性合金（TerFenol）の開発と発展により、テルビウムの新たな用途が開拓されました。
農業および畜産向け
希土類テルビウムは、一定の濃度範囲内で作物の品質を向上させ、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有します。テルビウムの三元錯体である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・殺菌効果を示し、幅広い抗菌スペクトルを有しています。このような錯体の研究は、現代の殺菌薬の新たな研究方向を提供するものです。
発光分野で使用
現代のオプトエレクトロニクス材料は、赤、緑、青の3つの基本色の蛍光体を使用して、さまざまな色を合成する必要があります。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。希土類元素テレビ赤色蛍光粉末の誕生がイットリウムとユーロピウムの需要を刺激したならば、テルビウムの応用と発展はランプ用の希土類元素三原色緑色蛍光粉末によって促進されました。 1980年代初頭、フィリップスは世界初のコンパクトな省エネ蛍光ランプを発明し、すぐに世界中に普及させました。Tb3+イオンは545nmの波長の緑色光を発することができ、ほとんどすべての希土類元素緑色蛍光体はテルビウムを活性剤として使用しています。
カラーテレビのブラウン管（CRT）用緑色蛍光体は、安価で効率の良い硫化亜鉛をベースに開発されてきましたが、投射型カラーテレビの緑色蛍光体としては、Y2SiO5 ∶ Tb3+、Y3（Al, Ga）5O12 ∶ Tb3+、LaOBr ∶ Tb3+などのテルビウム粉末が広く利用されてきました。大画面ハイビジョンテレビ（HDTV）の発展に伴い、CRT用の高性能緑色蛍光体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体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ます。
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、テルビウム活性硫黄ランタン酸化物、テルビウム活性臭素ランタン酸化物（グリーンスクリーン用）、テルビウム活性硫黄イットリウム(III)酸化物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のX線照射時間を80％短縮し、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できます。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剤としても使用され、X線を光学画像に変換する感度を大幅に向上させ、X線フィルムの鮮明度を向上させ、人体へのX線被曝量を大幅に（50％以上）削減できます。
テルビウムは、新型半導体照明用の青色光励起白色LED蛍光体の活性剤としても用いられています。テルビウムは、青色発光ダイオードを励起光源として用いたテルビウムアルミニウム磁気光学結晶蛍光体の製造にも用いられ、発生した蛍光を励起光と混合することで純白色光を生成します。
テルビウムを主成分とする発光材料には、主にテルビウムを活性剤とする硫化亜鉛緑色蛍光体があります。テルビウムの有機錯体は紫外線照射下で強い緑色蛍光を発するため、薄膜発光材料として利用できます。希土類有機錯体発光薄膜の研究は大きく進歩しましたが、実用化には依然として一定のギャップがあり、希土類有機錯体発光薄膜およびデバイスの研究は依然として進行中です。
テルビウムの蛍光特性は蛍光プローブとしても用いられています。例えば、オフロキサシンテルビウム（Tb3+）蛍光プローブを用いて、蛍光スペクトルと吸収スペクトルからオフロキサシンテルビウム（Tb3+）錯体とDNA（DNA）との相互作用を研究したところ、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し、DNAがオフロキサシンTb3+系の蛍光を著しく増強することが示されました。この変化に基づいてDNAを判別することができます。
磁気光学材料用
ファラデー効果を持つ材料は、磁気光学材料とも呼ばれ、レーザーなど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種類があります。その中でも、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、動作周波数の調整が可能で、熱安定性が高いなどの利点がありますが、高価で製造が難しいという難点があります。また、ファラデー回転角の高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、用途が限られています。磁気光学結晶と比較して、磁気光学ガラスは透過率が高く、大型ブロックやファイバーに加工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、主に希土類イオンドープガラスです。
磁気光記憶材料に使用される
近年、マルチメディアやオフィスオートメーションの急速な発展に伴い、新しい大容量磁気ディスクの需要が高まっています。高性能光磁気ディスクの製造には、アモルファス金属テルビウム遷移金属合金膜が用いられています。その中でも、TbFeCo合金薄膜は最も優れた性能を有しています。テルビウム系磁気光学材料は大量生産されており、それらから作られた磁気光学ディスクはコンピュータのストレージ部品として利用され、ストレージ容量は10～15倍に増加しています。大容量と高速アクセスの利点を持ち、高密度光ディスクに使用する場合、数万回のワイピングとコーティングが可能です。電子情報ストレージ技術における重要な材料です。可視光線および近赤外域で最も一般的に使用されている磁気光学材料は、テルビウムガリウムガーネット（TGG）単結晶であり、ファラデー回転子や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、可視光および赤外域において優れた透明性と等方性を有し、様々な複雑な形状を形成できます。大型製品の製造が容易で、光ファイバーへの線引きも可能です。そのため、磁気光アイソレータ、磁気光変調器、光ファイバー電流センサーなどの磁気光学デバイスへの幅広い応用が期待されています。Tb3+イオンは、可視光および赤外域における磁気モーメントが大きく吸収係数が小さいことから、磁気光学ガラスにおいて広く用いら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、新たな希土類応用材料が急速に台頭しました。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）の主要メンバーは同センター出身）が共同で、新たな希土類スマート材料、すなわち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。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迅速に変換する優れた特性を備えています。この巨大磁歪材料で作られた水中および電気音響変換器は、海軍装備、油井探査スピーカー、騒音・振動制御システム、海洋探査および地下通信システムにうまく組み込まれています。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広く注目を集めました。 1989年に米国のEdge Technologies社が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と命名しました。その後、スウェーデン、日本、ロシア、イギリス、オーストラリアでもテルビウムジスプロシウム鉄巨大磁歪材料が開発されました。
米国におけるこの材料の開発の歴史を見ると、この材料の発明と初期の独占的応用は、いずれも軍事産業（海軍など）と直接関係していることがわかります。中国の軍事・国防部門は、この材料に対する理解を徐々に深めつつありますが、中国の総合国力が大幅に向上した後、21世紀の軍事競争戦略の実現と装備レベルの向上に対する要求は、間違いなく非常に緊迫したものとなるでしょう。したがって、軍事・国防部門によるテルビウムジスプロシウム鉄系巨大磁歪材料の広範な利用は、歴史的な必然となるでしょう。
つまり、テルビウムは優れた特性を多く備えているため、多くの機能性材料に欠かせない要素であり、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、テルビウムは価格が高いため、生産コストを削減するためにテルビウムの使用を回避または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では、できるだけ安価な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。また、使用する必要がある緑色蛍光粉末のテルビウム含有量を減らすように努めます。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機能しないため、「刃には良質の鋼を使用する」という原則を堅持し、テルビウムの使用をできるだけ節約する必要があります。
投稿日時: 2023年7月5日