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第一原理計算による機能材料界面の原子構造と量子輸送特性の解明

Research Project

Project/Area Number 16F16705
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section外国
Research Field Crystal engineering
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

幾原 雄一  東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (70192474)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) LI HONGPING  東北大学, 材料科学高等研究所, 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2016-07-27 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords第一原理計算 / 走査透過型電子顕微鏡法 / 異種界面 / 電子状態 / 双晶 / 走査透過電子顕微鏡法 / セラミックス / 磁性材料
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、機能材料中の異種界面および双晶界面の原子構造と電子状態について、最先端の原子分解能走査透過型電子顕微鏡法(STEM)と密度汎関数法による第一原理計算により研究を行った。
金属と酸化物により形成される異種界面では、界面の原子構造が機能特性に多大な影響を及ぼす。また、界面の原子構造と電子状態は、酸化物結晶の界面における極性に依存して大きく異なると考えられる。本研究では、分子線エピタキシー法によりZnO(0001)および(000-1)面にPd原子を成膜し、原子分解能STEMにより異種界面の観察を行った。STEM像の解析で得られた界面原子構造モデルをもとに約1000原子からなる超格子を作成し、第一原理計算により構造最適化を行い、界面の電子状態を計算した。Pd/ZnO界面の格子定数は18%と大きく異なるが、周期的に原子位置がずれることで不整合を緩和していることが分かった。さらに、界面の化学結合は共有結合とイオン結合の両方の性質を示し、その度合いと電子状態を定量的に明らかにした。
また、磁性材料双晶界面の電子状態についても解析を行った。磁性材料の一つとして応用が期待される四酸化三鉄は、常温でフェリ磁性・半金属性を示し、スピントロニクス、触媒、医療材料など幅広い実用範囲を持つ。本研究では、まず三酸化二鉄結晶を真空中で1246℃で加熱し、四酸化三鉄双晶試料を得た。その後、STEM観察を行い3種類の安定構造を発見した。第一原理計算により原子構造と電子状態を詳しく調べた結果、双晶近傍の強・反磁性は原子構造に依存することが分かり、それぞれ特徴的な電子状態を持つことが明らかになった。また、微分位相コントラストSTEM法により磁気結合を直接観察し、理論計算による予測と整合する結果を得た。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (4 results)

All 2018 2017

All Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Direct Determination of Atomic Structure and Magnetic Coupling of Magnetite Twin Boundaries2018

    • Author(s)
      Chunlin Chen, Hongping Li, Takehito Seki, Deqiang Yin, Gabriel Sanchez-Santolino, Kazutoshi Inoue, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 12 Issue: 3 Pages: 2662-2668

    • DOI

      10.1021/acsnano.7b08802

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Atomic-scale structure and bonding nature of large-mismatched metal/oxide incoherent interface2018

    • Author(s)
      H.P. Li, M. Saito, C.L. Chen, K. Inoue, K. Akagi, and Y. Ikuhara
    • Organizer
      2018 Annual Meeting of the Materials Research Society of Japan
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Atomic-scale structure and bonding nature of large-mismatched metal/oxide incoherent interface2018

    • Author(s)
      H.P. Li, M. Saito, C.L. Chen, K. Inoue, K. Akagi, and Y. Ikuhara
    • Organizer
      日本金属学会秋期講演大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Atomic-scale structure and electronic properties of Pd/ZnO2017

    • Author(s)
      H. Li, M. Saito, C. Chen, D. Yin, K. Inoue, K. Akagi, Y. Ikuhara
    • Organizer
      The AIMR International Symposium 2017
    • Place of Presentation
      仙台国際センター
    • Year and Date
      2017-02-13
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-07-28   Modified: 2024-03-26  

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