酸窒化物バルク単結晶の成長と機能開発

• Project/Area Number: 20H00384
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 34:Inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 陰山 洋 京都大学, 工学研究科, 教授 (40302640)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 立川 貴士 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 准教授 (20432437) ; 佐藤 啓文 京都大学, 工学研究科, 教授 (70290905)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥45,370,000 (Direct Cost: ¥34,900,000、Indirect Cost: ¥10,470,000); Fiscal Year 2022: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000); Fiscal Year 2021: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000); Fiscal Year 2020: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
• Keywords: 酸窒化物 / 単結晶 / 高圧

Outline of Research at the Start

酸窒化物は、可視光触媒、誘電体などの優れた機能から、酸化物や窒化物を超える機能性材料として精力的に研究されている。しかしながら、酸窒化物の構造、機能が本質的に理解されているとは言い難い。その大きな障害は、バルク単結晶が得られてないという事実である。研究代表者の陰山は、これまで進めてきた複合アニオン化合物の研究結果をもとに、バルクの酸窒化物単結晶に望む。理論（佐藤）との連携によって結晶育成のメカニズムを解明する。また、得られた単結晶を用いた各種測定により、キャリア・フォノンの動的性質の解明、触媒活性サイトの観測（立川）などを通じ、酸窒化物の機能物性に関する基盤学理を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

酸窒化物は、無毒顔料、可視光触媒、蛍光体、誘電体、巨大磁気抵抗などの優れた化学・物理機能を発現することから、酸化物あるいは窒化物を超える機能性材料として無機固体分野に於いてここ20年で最も精力的に研究され、新物質も数多く合成された。しかしながら、これらの酸窒化物の構造や機能の本質的な理解の大きな障害になっているのが、バルク単結晶が得られてないという事実である。研究代表者は、これまでの複合アニオン化合物で実験結果をもとに、バルクの酸窒化物単結晶が得られない原因をアニオン種で異なる揮発性にあると考えた。本研究では、アニオンの揮発を抑えるために高圧下でのフラックス法を用いることで、TaONおよびHf2ON2のバルク単結晶を世界で初めて育成することに成功した。特に TaON単結晶については高濃度の電子ドープを達成し、金属的な振舞いを示すこと（既報の TaON粉末は絶縁体）、異方的な電子伝導性を示すことを見出した。このことは高圧下でのフラックス法が遷移金属単結晶の育成のみならずキャリアドーピングの手法としても活用できることを端的に示唆している。さらに、得られたTaONの金属的単結晶を温和な条件で酸素アニールすることで（既報の絶縁体粉末と同じ）黄色の単結晶に変換できることを発見した。TaONは可視光応答の水分解触媒として膨大な研究がなされている一方で、単結晶が得られていなかったがために触媒メカニズムが不明であった。今回の発見は今後 TaONベースの光触媒の性能向上の指針を確立する上で重要な役割を担うと期待できる。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Strain-Assisted Topochemical Synthesis of La-Doped SrVO₂H Films (2021)
  • Author(s): Takatsu Hiroshi、Ochi Masayuki、Namba Morito、Li Haobo、Daniel Aurelien、Terashima Takahito、Kuroki Kazuhiko、Kageyama Hiroshi
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 21 Issue: 7 Pages: 3779-3785
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00098
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Strain-induced creation and switching of anion vacancy layers in perovskite oxynitrides (2020)
  • Author(s): Takafumi Yamamoto, Akira Chikamatsu, Shunsaku Kitagawa
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 Issue: 1 Pages: 5923-5923
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19217-7
  • NAID: 120006936380
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Epitaxial Stabilization of SrCu3O4 with Infinite Cu3/2O2 Layers (2020)
  • Author(s): Takatsu Hiroshi、Ochi Masayuki、Yamashina Naoya、Namba Morito、Kuroki Kazuhiko、Terashima Takahito、Kageyama Hiroshi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 59 Issue: 14 Pages: 10042-10047
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c01213
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Mixed Anion Compounds (2022)
  • Author(s): Hiroshi Kageyama
  • Organizer: Sumitt of Materials Science (SMS2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Highly doped TaON single crystal prepared by high pressure flux method (2022)
  • Author(s): Kohdai Ishida, Cedric Tassel, Hiroshi Takatsu, Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Core-to-Core Conference on Mixed Anion Research for Energy Conversion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ca-Substitution Effects on the Structural Stability and Physical Properties of 15R-SrVO2.2N0.6 with Anion Vacancy Order (2022)
  • Author(s): Kantaro Murayama, Morito Namba, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Core-to-Core Conference on Mixed Anion Research for Energy Conversion
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 複合アニオン化合物の５年間と今後 (2022)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 「複合アニオン化合物の創製と新機能」最終報告会
• [Presentation] 高電子ドープされた TaON単結晶の育成と物性 (2022)
  • Author(s): 石田耕大
  • Organizer: 「複合アニオン化合物の創製と新機能」最終報告会
• [Presentation] アニオン空孔秩序を有する15R-SrVO2.2N0.6の構造および物性に及ぼす化学圧力の影響 (2022)
  • Author(s): 村山 寛太郎
  • Organizer: 「複合アニオン化合物の創製と新機能」最終報告会
• [Presentation] 極性金属と極性絶縁体の間における固溶体合成 (2022)
  • Author(s): 村山 寛太郎
  • Organizer: 日本セラミックス協会 2022年年会
• [Presentation] A Five-year Summary of Mixed-anion Project and Recent Progress (2022)
  • Author(s): Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Conference on Mixed-Anion Compounds (ICMAC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Strain-Induced Creation and Switching of Anion Vacancy Layers in Perovskite Oxynitrides SrV(O,N)3 (2021)
  • Author(s): Hiroshi Kageyama
  • Organizer: MRS Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mixed-anion Materials (2021)
  • Author(s): Hiroshi Kageyama
  • Organizer: Antiperovskites with Soft Lattice of Mixed-anions for Battery Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 複合アニオン化合物の合成 (2021)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 第15回ケムステVシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 複合アニオンによる次元制御 (2021)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会（2020年） 共催シンポジウム「物理の視点からみる複合アニオン化合物研究の最新の進展」
  • Invited
• [Presentation] アニオン超空間を活かした無機化合物の創製と機能開拓 (2021)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会 (2021) CREST「超空間」成果報告会
• [Presentation] 複合アニオン化合物の創製と新機能：現状と将来展望 (2020)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 科学技術未来戦略ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 複合アニオン研究の最先端：アニオンの構造・組成の制御 (2020)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 第一回複合アニオンウェブセミナー
• [Presentation] 複合アニオン化合物の現在と展望 (2020)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第33回秋季シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Low temperature Synthesis / Soft chemistry (2020)
  • Author(s): Hiroshi Kageyama
  • Organizer: Summer School of the IMPRS-CMS & MPI-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 応力を利用した酸(窒)化物の構造制御 (2020)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 第 40 回電子材料研究討論会
  • Invited
• [Presentation] 複合アニオンの科学と現状と今後の展望 (2020)
  • Author(s): 陰山 洋
  • Organizer: 第14 回 物性科学領域横断研究会