整合・不整合多重周期をもつ第13族元素ハイパーマテリアルの構造秩序

• Project Area: Hypermaterials: Inovation of materials scinece in hyper space
• Project/Area Number: 20H05258
• 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: Kyushu University
• Principal Investigator: 湯葢 邦夫 九州大学, 工学研究院, 学術研究員 (00302208)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 結晶構造解析 / 相安定性 / 短・中距離秩序構造 / 散漫散乱 / 第13族元素化合物 / 化学的短距離秩序構造 / 中距離秩序構造 / 連結様式 / 熱電変換特性

Outline of Research at the Start

本研究課題では，第13族元素化合物に対して，特定元素周囲の局所構造の精密決定から広範囲にわたる原子集団のゆらぎの特徴抽出まで，連続的にスケールアップした先端的構造解析法を駆使して，従来の単結晶構造解析法では得ることのできない整合・不整合多重周期性をもつハイパー物質の特殊構造の解析に挑む．電子顕微鏡を駆使した原子分解能元素マッピングをベースとした極局所構造解析法と放射光を利用したAXS法とRMC シミュレーションをドッキングしたAXS-RMC法を併用して，第13族元素化合物に存在するCSROの確定とMROに代表される連結様式の多様性と形成機構を3次元定量的に解明する．

Outline of Annual Research Achievements

局所構造の精密決定（極局所構造解析）から広範囲にわたる原子集団のゆらぎの特徴抽出まで，スケールアップした先端的構造解析法を駆使して，複雑な結晶構造をもつ第13族元素化合物の構造的な特徴を明らかにすることを目的とした．第13族元素化合物に存在する化学的短距離秩序構造（Chemical Short Range Ordering : CSRO）とそれらCSROの連結様式（中距離秩序構造 (Medium Range Ordering: MRO)）に新しい構造秩序を見出し，構造ユニットの連結様式の多様性と形成機構を3次元定量的に解明した．
Cu3Au 型－アンチペロブスカイト型構造を持つScRh3B0.6 化合物に現れる{111}* 方向にシャープな散漫散乱（逆空間）の三次元可視化と原子分解能像（実空間）とのコンビネーションから，この化合物群におけるMROの特徴を明らかにした
正20面体ボロン・クラスターからなる過冷却ボロン固体の合成探索ならび合成した新規ボロン結晶相の電子顕微鏡結晶構造解析を行った．液体急冷ボロン試料から既知結晶相では説明できない複数の回折ピークが見つかり，20面体ボロンクラスターを構造ユニットとする結晶構造モデルの構築を行っている．
Al系正20面体準結晶の関連結晶相には，<111>*cubic 方向に3倍周期をもつ超格子構造（三方晶系）が存在する．単結晶X線回折パターンから示されている超格子構造相が双晶構造の特徴を明らかにするため，4D-STEM 観察を行った．4D-STEM 観察から得られる仮想電子回折パターンと仮想暗視野像から，双晶構造の方位関係を明らかにした．原子分解能 HAADF-STEM像は，単結晶X 線回折構造解析から提案した構造モデルを元に計算した像の特徴とよく一致していた．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Vienna,/TU Wien(オーストリア)
• [Journal Article] Redetermination of the crystal structures of rare-earth trirhodium diboride RERh3B2 (RE = Pr, Nd and Sm) from single-crystal X-ray data (2022)
  • Author(s): M. Tokuda, K. Yubuta, T. Shishido, K. Sugiyama
  • Journal Title: Acta Cryst. Volume: E78 Issue: 1 Pages: 76-79
  • DOI: 10.1107/s2056989021013311
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nb6Mn1-xIr6+xB8 (x = 0.25): A ferrimagnetic boride containing planar B6 rings interacting with ferromagnetic Mn chains (2021)
  • Author(s): N. Sharma, Y. Zhang, M. Mbarki, J. Scheifers, K. Yubuta, S. Kimber, B.P.T. Fokwa
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 125 Issue: 24 Pages: 13635-13640
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c02662
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electronic structure of a borophene layer in rare-earth aluminum/chromium boride and its hydrogenated derivative, borophane (2021)
  • Author(s): M. Niibe, M. Cameau, N. T. Cuong, O. I. Sunday, X. Zhang, Y. Tsujikawa, S. Okada, K. Yubuta, T. Kondo, I. Matsuda
  • Journal Title: Phys. Rev. Mater. Volume: 5 Issue: 8 Pages: 084007-084007
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.5.084007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Demonstration of ultrahigh thermoelectric efficiency of ~7.3% in Mg3Sb2/MgAgSb module for low-temperature energy harvesting (2021)
  • Author(s): Liu Zihang、Sato Naoki、Gao Weihong、Yubuta Kunio、Kawamoto Naoyuki、Mitome Masanori、Kurashima Keiji、Owada Yuka、Nagase Kazuo、Lee Chul-Ho、Yi Jangho、Tsuchiya Koichi、Mori Takao
  • Journal Title: Joule Volume: 5 Issue: 5 Pages: 1196-1208
  • DOI: 10.1016/j.joule.2021.03.017
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Incommensurately modulated crystal structure of alpha'(O'3)-type sodium cobalt oxide NaxCoO2 (x-0.78) (2021)
  • Author(s): Y. Miyazaki, N. Igawa, K. Yubuta
  • Journal Title: Acta Cryst. Volume: B77 Issue: 3 Pages: 371-377
  • DOI: 10.1107/s205252062100370x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 多元金属ホウ化物、ホウ炭化物の硬さおよび熱化学的安定性 (2021)
  • Author(s): 宍戸 統悦，野村 明子，菅原 孝昌，黒澤 俊介，湯葢 邦夫，神津 薫，岡田 繁，林 好一，手嶋 勝弥，大石 修治，森 孝雄，吉川 彰
  • Journal Title: J. Flux Growth Volume: 15 Pages: 2-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] HPT production of large bulk skutterudites (2021)
  • Author(s): G. Rogl, S. Ghosh, O. Renk, K. Yubuta, A. Grytsiv, E. Schafler, M. Zehetbauer, R.C. Mallik, E. Bauer, P. Rogl
  • Journal Title: J. Alloys Compd. Volume: 854 Pages: 156678-156678
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.156678
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of shear strain on HPT-processed n-type skutterudites yielding ZT=2.1 (2021)
  • Author(s): G. Rogl, S. Ghosh, O. Renk, K. Yubuta, A. Grytsiv, E. Schafler, M. Zehetbauer, R.C. Mallik, E. Bauer, P. Rogl
  • Journal Title: J. Alloys Compd. Volume: 855 Pages: 157409-157409
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157409
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 4D-STEM 法による ScRh3B0.75 合金の超格子ドメイン構造解析 (2022)
  • Author(s): 安原 聡，柴田 昌照，村山 晴佳，湯葢 邦夫，野村 明子，宍戸 統悦，杉山 和正
  • Organizer: 第14回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] 溶融 Cu フラックス法で合成した RERh3B2 型類縁化合物の構造研究 (2022)
  • Author(s): 徳田誠，森秀太，湯葢邦夫，杉山和正，宍戸統悦
  • Organizer: 第14回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] R-M-B-(C) (R = rare earth, M = Rh, Co)系化合物の形成と相安定性 (2022)
  • Author(s): 野村 明子，宍戸 統悦，菅原 孝昌，黒澤 俊介，湯葢 邦夫，神津 薫，岡田 繁，森 孝雄，吉川 彰
  • Organizer: 第14回 日本ホウ素・ホウ化物研究会
• [Presentation] 4D-STEM と STEM-HAADF を用いた ScRh3B0.75 合金の超構造解析 (2021)
  • Author(s): 安原 聡，柴田 昌照，阿井 晴佳，湯葢 邦夫，野村 明子，宍戸 統悦，杉山 和正
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第77回学術講演会
• [Presentation] アンチペロブスカイト型ホウ化物固溶体 CeRh3-xPdxB0.5 の構造化学 (2021)
  • Author(s): 湯葢 邦夫, I. Zeiringer, A. Grytsiv, P. Rogl
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第64回シンポジウム
• [Presentation] Three-dimensional analysis of diffuse streaks in ScRh3B0.6 compound (2021)
  • Author(s): K. Yubuta, H. Ai, A. Yasuhara, A. Nomura, T. Shishido, K. Sugiyama
  • Organizer: MATERIAL RESEARCH MEETING 2021
  • Int'l Joint Research