Development of hydrogen induced exotic superconductivity by ion irradiation

• Project Area: HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions
• Project/Area Number: 19H05052
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 前里 光彦 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60324604)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 水素 / イオンビーム / 薄膜 / 超伝導

Outline of Research at the Start

水素は、結晶格子への最小の修飾により、物質の物性を大きく変化させることが出来る。本研究では、任意の物質に高濃度の水素をドーピングすることが可能な低温水素イオンビーム照射装置を利用して、物質中に高濃度水素を導入することにより、従来型の元素置換法では高濃度キャリアドーピングが困難な物質へのキャリアドーピングを行い、水素導入によるエキゾチック超伝導体の開発を行う。特に、電子相関とスピン軌道相互作用が共存することによる新奇なスピン軌道モット絶縁体Sr2IrO4などを対象として、良質の薄膜作成と水素イオンビーム照射によるキャリアドーピングを行い、エキゾチックな水素誘起超伝導の開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

パルスレーザー堆積法を用いて、スピン軌道モット絶縁体Sr2IrO4のエピタキシャル薄膜（約50nmの膜厚）をLSAT基板上に作成した。作成したSr2IrO4薄膜を用いて、水素イオンビーム照射による水素ドープとin situ温度可変伝導度測定を行った。100Kの低温での水素イオンビーム照射によって、抵抗が約3桁減少することが分かった。水素ドープ後の抵抗の温度変化は、可変領域ホッピング伝導を示すことが分かった。さらに、温度を室温まで上げることにより、抵抗が非可逆的に減少することが分かった。水素イオンビーム照射実験前後でX線回折実験やホール効果の測定を行い、結晶構造変化やキャリア濃度・易動度の変化を調べた。水素照射後の試料は、面間のc軸方向に約１％格子が広がることが分かった。また、面内の格子定数に変化は無かった。ホール効果の測定によって、キャリア濃度が室温で約2桁、200Kでは3桁近く増加していることが分かった。ホール係数の符号から、キャリアは電子であり、水素によって高濃度の電子がドープされたことが分かった。分光測定によって、低波数側に新たな吸収が確認された。さらに、薄膜内部での水素の濃度分布を調べるために、タンデム加速器を利用して核反応分析を行い、実際に高濃度の水素が導入されていることを確認した。第一原理計算で水素の欠陥形成エネルギーを評価してもらったところ、酸素置換型の水素や頂点酸素付近の侵入型水素が安定であることが分かり、実験で得られた水素による電子ドープと矛盾しないことが分かった。
以上のことから、低温水素イオンビーム照射によって、結晶構造にほとんど影響を与えずに、非常に効率的にキャリアドープ出来ることが分かった。その内容をまとめて学術雑誌に投稿した。
また、ルチル型TiO2薄膜への水素ドープにより、可逆的な抵抗のスイッチングが可能であることを見出した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Surface morphology-induced spin-crossover-inactive high-spin state in a coordination framework (2021)
  • Author(s): Sakaida Shun、Otsubo Kazuya、Otake Ken-ichi、Kawaguchi Shogo、Maesato Mitsuhiko、Kitagawa Susumu、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 57 Issue: 12 Pages: 1462-1465
  • DOI: 10.1039/d0cc06682f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecule-based Mixed Conductor of Proton and Electron Composed of Neutral π-planar Metal Complexes (2021)
  • Author(s): Y. Kimura, Y. Yoshida, M. Maesato, H. Kitagawa
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 50 Issue: 3 Pages: 439-441
  • DOI: 10.1246/cl.200781
  • NAID: 130007995483
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First Observation of Superconductivity in Molybdenum-Ruthenium-Carbon Alloy Nanoparticles (2021)
  • Author(s): S. Okazoe, K. Kusada, Y. Yoshida, M. Maesato, T. Yamamoto, T. Toriyama, S. Matsumura, S. Kawaguchi, Y. Kubota, H. Kitagawa
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 50 Issue: 4 Pages: 596-598
  • DOI: 10.1246/cl.200779
  • NAID: 130008025795
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reversible resistance switching by excess hydrogen doping in rutile TiO2 (2020)
  • Author(s): Lim GyeongCheol、Maesato Mitsuhiko、Nakayama Ryo、Lim Dae-Woon、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 13 Issue: 10 Pages: 105502-105502
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abb872
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Triangular-lattice Organic Mott Insulator with Disorder-free Polyanion (2020)
  • Author(s): S. Tomeno, M. Maesato, Y. Yoshida, A. Kiswandhi, H. Kitagawa
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 59 Issue: 13 Pages: 8647-8651
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c00880
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High Pressure Investigation of Organic 3D Dirac Semimetal Candidate Having a Diamond Lattice (2020)
  • Author(s): A. Kiswandhi, M. Maesato, S. Tomeno, Y. Yoshida, Y. Shimizu, P. Shahi, J. Gouchi, Y. Uwatoko, G. Saito, H. Kitagawa
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 24 Pages: 245124-245124
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.245124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New Series of Pentanary Oxides, AM2C6Te3O18 (A = Pb, Sr; M = Mn, Cd; C = Ni, Co): Synthesis, Structure, and Magnetic and Optical Properties (2020)
  • Author(s): G. Sivakumar, M. Mazumder, A. Lahiri, A. Sundaresan, S. K. Pati, M. Maesato, H. Kitagawa, J. Gopalakrishnan, S. Natarajan
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 29 Issue: 45 Pages: 25071-25077
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c07233
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal Size Effect on the Spin-Crossover Behavior of {Fe(py)2[Pt(CN)4]} (py = Pyridine) Monitored by Raman Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Sakaida Shun、Otsubo Kazuya、Maesato Mitsuhiko、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 59 Issue: 23 Pages: 16819-16823
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c02874
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Canting Antiferromagnetic Spin-Order (TN = 102 K) in a Monomer Mott Insulator (ET)Ag4(CN)5 with a Diamond Spin-Lattice (2020)
  • Author(s): A. Otsuka, Y. Shimizu, G. Saito, M. Maesato, A. Kiswandhi, T. Hiramatsu, Y. Yoshida, H. Yamochi, M. Tsuchiizu, Y. Nakamura, H. Kishida, and H. Ito
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn. Volume: 93 Issue: 2 Pages: 260-272
  • DOI: 10.1246/bcsj.20190279
  • NAID: 130007798348
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular diamond lattice antiferromagnet as a Dirac semimetal candidate (2019)
  • Author(s): Y. Shimizu, A. Otsuka, M. Maesato, M. Tsuchiizu, A. Nakao, H. Yamochi, T. Hiramatsu, Y. Yoshida, and G. Saito
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 99 Issue: 17 Pages: 174417-174417
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.174417
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-pressure Effect on a Proton-conducting Metal-Organic Framework, LaCr(C2O4)3・10H2O (2019)
  • Author(s): Yamamoto Takayuki、Asakawa Yuta、Maesato Mitsuhiko、Hirao Naohisa、Kawaguchi Saori I.、Ohishi Yasuo、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 48 Issue: 7 Pages: 746-748
  • DOI: 10.1246/cl.190240
  • NAID: 130007675088
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conducting Coronene Cation Radical Salt Containing Magnetic Metal Ions (2019)
  • Author(s): Yoshida Yukihiro、Maesato Mitsuhiko、Saito Gunzi、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 58 Issue: 20 Pages: 14068-14074
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02080
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Partial Substitution of Ag(I) for Cu(I) in Quantum Spin Liquid κ-(ET)2Cu2(CN)3, Where ET Is Bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene (2019)
  • Author(s): Yoshida Yukihiro、Maesato Mitsuhiko、Tomeno Shinya、Kimura Yojiro、Saito Gunzi、Nakamura Yuto、Kishida Hideo、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 58 Issue: 8 Pages: 4820-4827
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b03251
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Novel Platinum(III)?Platinum(III) Neutral Dimer Complex, Pt2(cdtb)4I2 (cdtb: 4-Cyanodithiobenzoate) (2019)
  • Author(s): Moriyama Hayato、Otsubo Kazuya、Aoki Kentaro、Maesato Mitsuhiko、Sugimoto Kunihisa、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 48 Issue: 9 Pages: 1035-1037
  • DOI: 10.1246/cl.190355
  • NAID: 130007703014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene Cation Radical Salts Composed of Nonuniform Silver(I) Complex Polyanions (2019)
  • Author(s): Yoshida Yukihiro、Maesato Mitsuhiko、Nakamura Yuto、Ishikawa Manabu、Yamochi Hideki、Saito Gunzi、Kishida Hideo、Kitagawa Hiroshi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 58 Issue: 24 Pages: 16703-16711
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02814
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 水素イオン照射によるSr2IrO4薄膜への電子ドーピング (2021)
  • Author(s): 山下裕太，前里光彦，GyeongCheol Lim，丸山敬裕，近松彰，荻野拓，長谷川哲也，小澤孝拓，Markus Wilde，福谷克之，寺嶋孝仁，北川 宏
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）
• [Presentation] Electron Doping into Sr2IrO4 by Hydrogen Ion Beam Irradiation (2021)
  • Author(s): Y. Yamashita, M. Maesato, G. Lim, T. Maruyama, A. Chikamatsu, H. Ogino, T. Hasegawa, T. Ozawa, M. Wilde, K. Fukutani, T. Terashima, H. Kitagawa
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会 (2021)
• [Presentation] Ultra-high concentration hydrogen doping into rutile-TiO2 with in situ transport measurements (2021)
  • Author(s): GyeongCheol Lim, Mitsuhiko Maesato, Ryo Nakayama, Dae-Woon Lim, Takahiro Ozawa, Markus Wilde, Katsuyuki Fukutani, Hiroshi Kitagawa
  • Organizer: 日本化学会 第101春季年会 (2021)
• [Presentation] Low Temperature Hydrogen Ion Beam Irradiation for Exploring Exotic Physical Properties (2020)
  • Author(s): Mitsuhiko Maesato, Ryo Nakayama, GyeongCheol Lim, Takahito Terashima, Hiroshi Kitagawa
  • Organizer: 1st International Symposium “Hydrogenomics” combined with 14th International Symposium Hydrogen & Energy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Artificial Control of Materials Properties (2019)
  • Author(s): Mitsuhiko Maesato
  • Organizer: Zhou Huijiu Forum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Artificial Control of Materials Properties (2019)
  • Author(s): Mitsuhiko Maesato
  • Organizer: Nanjing University - Kyoto University Bilateral Workshop: Functional Molecular Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] New Spin Liquid Candidates Based on BEDT-TTF (2019)
  • Author(s): M. Maesato, Y. Yoshida, S. Tomeno, Y. Kimura, A. Kiswandhi, Y. Nakamura, H. Kishida, Y. Shimizu, G. Saito, H. Kitagawa
  • Organizer: 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 低温水素イオンビーム照射による高濃度水素ドープとin situ物性測定 (2019)
  • Author(s): 前里 光彦, 中山 亮, GyeongCheol Lim, 寺嶋 孝仁, 北川 宏
  • Organizer: 第13回物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)