Discovery of giant negative thermal expansion (NTE) of Ti2O3 is reported herein. Ti2O3 undergoes a phase transition from a low-temperature (low-T) insulating state to a high-T metallic state gradually at temperatures of 400–600 K, accompanied by highly anisotropic thermal deformation of the crystallographic unit cell. This anisotropic deformation induces large bulk NTE in the sintered body, although the unit-cell volume estimated from diffraction experiments shows positive thermal expansion in this T range. Results of this study also demonstrate that partial replacement of Ti with Nb increases the total volume change related to bulk NTE and show that it lowers the operating-T range of NTE to include room temperature. The development of NTE materials particularly addressing such microstructural effects is effective and promising.

2.
T. A.
Mary
,
J. S. O.
Evans
,
T.
Vogt
, and
A. W.
Sleight
,
Science
272
,
90
(
1996
).
3.
A. L.
Goodwin
and
C. J.
Kepert
,
Phys. Rev. B
71
,
140301R
(
2005
).
4.
B. K.
Greve
,
K. L.
Martin
,
P. L.
Lee
,
P. J.
Chupas
,
K. W.
Chapman
, and
A. P.
Wilkinson
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
15496
(
2010
).
5.
J.
Chen
,
Q.
Gao
,
A.
Sanson
,
X.
Jiang
,
Q.
Huang
,
A.
Carnera
,
C. G.
Rodriguez
,
L.
Olivi
,
L.
Wang
,
L.
Hu
,
K.
Lin
,
Y.
Ren
,
Z.
Lin
,
C.
Wang
,
L.
Gu
,
J.
Deng
,
J. P.
Attfield
, and
X.
Xing
,
Nat. Commun.
8
,
14441
(
2017
).
6.
7.
K.
Kodama
,
S.
Iikubo
,
K.
Takenaka
,
M.
Takigawa
,
H.
Takagi
, and
S.
Shamoto
,
Phys. Rev. B
81
,
224419
(
2010
).
8.
C.
Wang
,
L. H.
Chu
,
Q. R.
Yao
,
Y.
Sun
,
M. M.
Wu
,
L.
Ding
,
J.
Yan
,
Y. Y.
Na
,
W. H.
Tang
,
G. N.
Li
,
Q. Z.
Huang
, and
J. W.
Lynn
,
Phys. Rev. B
85
,
220103(R)
(
2012
).
9.
R. J.
Huang
,
Y. Y.
Liu
,
W.
Fan
,
J.
Tan
,
F. R.
Xiao
,
L. H.
Qian
, and
L. F.
Li
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
11469
(
2013
).
10.
M.
Azuma
,
W. T.
Chen
,
H.
Seki
,
M.
Czapski
,
S.
Olga
,
K.
Oka
,
M.
Mizumaki
,
T.
Watanuki
,
N.
Ishimatsu
,
N.
Kawamura
,
S.
Ishiwata
,
M. G.
Tucker
,
Y.
Shimakawa
, and
J. P.
Attfield
,
Nat. Commun.
2
,
347
(
2011
).
11.
J. C.
Lin
,
P.
Tong
,
K.
Zhang
,
H. Y.
Tong
,
X. G.
Guo
,
C.
Yang
,
Y.
Wu
,
M.
Wang
,
S.
Lin
,
L.
Chen
,
W. H.
Song
, and
Y. P.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
241903
(
2016
).
12.
H.
Yamamoto
,
T.
Imai
,
Y.
Sakai
, and
M.
Azuma
,
Angew. Chem. Int. Ed.
57
,
8170
(
2018
).
13.
T.
Isobe
,
Y.
Hayakawa
,
Y.
Adachi
,
R.
Uehara
,
S.
Matsushita
, and
A.
Nakajima
,
NPG Asia Mater.
12
,
80
(
2020
).
14.
J. H.
Belo
,
A. L.
Pires
,
I. T.
Gomes
,
V.
Andrade
,
J. B.
Sousa
,
R. L.
Hadimani
,
D. C.
Jiles
,
Y.
Ren
,
X. Y.
Zhang
,
J. P.
Araújo
, and
A. M.
Pereira
,
Phys. Rev. B
100
,
134303
(
2019
).
15.
J. A.
Kuszyk
and
R. C.
Bradt
,
J. Am. Ceram. Soc.
56
,
420
(
1973
).
16.
F. H.
Gillery
and
E. A.
Bush
,
J. Am. Ceram. Soc.
42
,
175
(
1959
).
17.
K.
Takenaka
,
Y.
Okamoto
,
T.
Shinoda
,
N.
Katayama
, and
Y.
Sakai
,
Nat. Commun.
8
,
14102
(
2017
).
18.
N.
Zhang
,
L.
Li
,
M. Y.
Wu
,
Y. X.
Li
,
D. S.
Feng
,
C. Y.
Liu
,
Y. C.
Mao
,
J.
Guo
,
M. J.
Chao
, and
E. J.
Liang
,
J. Eur. Ceram. Soc.
36
,
2761
(
2016
).
19.
N.
Katayama
,
K.
Otsuka
,
M.
Mitamura
,
Y.
Yokoyama
,
Y.
Okamoto
, and
K.
Takenaka
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
181902
(
2018
).
20.
F. J.
Morin
,
Phys. Rev. Lett.
3
,
34
(
1959
).
21.
C. E.
Rice
and
W. R.
Robinson
,
Mater. Res. Bull.
11
,
1355
(
1976
).
22.
D.
Nishi-Hamane
,
M.
Katagiri
,
K.
Niwa
,
A.
Sano-Furukawa
,
T.
Okada
, and
T.
Yagi
,
High Pressure Res.
29
,
379
(
2009
).
23.
X. M.
Sun
,
D. Y.
Cong
,
Y.
Ren
,
D. E.
Brown
,
R. G.
Li
,
S. H.
Li
,
Z.
Yang
,
W. X.
Xiong
,
Z. H.
Nie
,
L.
Wang
, and
Y. D.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
041903
(
2018
).
24.
K.
Takenaka
,
T.
Shinoda
,
N.
Inoue
,
Y.
Okamoto
,
N.
Katayama
,
Y.
Sakai
,
T.
Nishiubo
, and
M.
Azuma
,
Appl. Phys. Express
10
,
115501
(
2017
).
25.
K.
Takenaka
,
N.
Inoue
,
Y.
Mizuno
,
Y.
Okamoto
,
N.
Katayama
,
Y.
Sakai
,
T.
Nishikubo
, and
M.
Azuma
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
071902
(
2018
).
26.
X. L.
Wang
,
P.
Tong
,
J. C.
Lin
,
X. K.
Zhang
,
C.
Yang
,
Z. C.
Wang
,
M.
Wang
,
Y.
Wu
,
L.
Zhang
,
W.
Tong
,
W. H.
Song
, and
Y. P.
Sun
,
J. Alloys Compd.
862
,
158616
(
2021
).
27.
F.
Izumi
and
T.
Ikeda
,
Mater. Sci. Forum
321–324
,
198
(
2000
).
28.
A.
Takezawa
,
K.
Takenaka
, and
X. P.
Zhang
,
Appl. Phys. Express
11
,
055801
(
2018
).
29.
F. R.
Shen
,
H. B.
Zhou
,
F. X.
Hu
,
J.-T.
Wang
,
S.
Demg
,
B. T.
Wang
,
H.
Wu
,
Q. Z.
Huang
,
J.
Wang
,
J.
Chen
,
L. H.
He
,
J. Z.
Hao
,
Z. B.
Yu
,
F. X.
Liang
,
T. J.
Liang
,
J. R.
Sun
, and
B. G.
Shen
,
Mater. Horiz.
7
,
804
(
2020
).
30.
T. F.
Qi
,
O. B.
Korneta
,
S.
Parkin
,
J. P.
Hu
, and
G.
Cao
,
Phys. Rev. B
85
,
165143
(
2012
).
31.
L.
Hu
,
Y. C.
Zhu
,
Y. W.
Fang
,
M.
Fukuda
,
T.
Nishikubo
,
Z.
Pan
,
Y.
Sakai
,
S.
Kawaguchi
,
H.
Das
,
A.
Machida
,
T.
Watanuki
,
S.
Mori
,
K.
Takenaka
, and
M.
Azuma
,
Chem. Mater.
33
,
7665
(
2021
).
32.
M.
Uchida
,
J.
Fujioka
,
Y.
Onose
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
066406
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.