Strain engineering for the precise arrangement of oxygen vacancies in functional oxide materials

• Project Area: Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures
• Project/Area Number: 21H05561
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 高津 浩 京都大学, 工学研究科, 講師 (60585602)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 応力 / トポケミカル反応 / 機能性酸化物 / 酸素空孔

Outline of Research at the Start

本研究では、開拓してきた「応力下の低温トポケミカル反応」により、SrVO3やSrFeO3など様々な酸化物に自在に超秩序構造を付与することに着目し、母体の三次元構造を酸素空孔層の導入により擬二次元化・長周期化して制御することで、新しい次元性、操作性、組成をもった新物質へ進化・発展させ、機能材料開発の潜在可能性を格段に広げることを目指す。また、領域内での共同研究の推進から局所的な構造情報を明らかにし、制御に必要なキーファクターを明確にしていく。我々独自のアプローチから超秩序付与による相乗効果を最大限に引き出し、超秩序構造科学の研究の深化に貢献し、材料開発を新たなステージに引き上げることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

秩序-無秩序の狭間領域や無秩序構造の中にある秩序構造にあらわれる新規現象についてEu2+とEu3+の価数転移をしめす物質に着目し、本研究領域の計画班の研究チームと協力し、以下の研究を遂行した。得られた成果の一部は学会発表および論文にまとめて発表した。

応力下のトポケミカル反応を用いて新たに開発したユウロピウム化合物は、負電荷の水素イオン（ヒドリドH-）が二次元的に選択秩序した結晶構造をもつ物質であり、薄膜特有の基板応力などを外部パラメーターにすることで、強磁性を担うEu2+の約20%がEu3+に価数転移すること、そして、この価数転移にあわせてユウロピウム化合物には珍しい磁気異方性を示す興味深い物質である。今年度は、このようなEu2+の周期構造にあらわれるEu3+のdisorder in orderの役割を明らかにし、新奇な磁気異方性の発現メカニズムを明らかにすることを目指し、超秩序構造科学の計画A02班およびA03班と協力し、蛍光X線ホログラフィー実験および光電子ホログラフィー実験を行った。その結果、Euの原子位置を再現する明確なホログラフィー像を得ることに成功した。また、Eu2+の成分のみの入射エネルギーとEu3+の寄与もある入射エネルギーをわけて実験を行い、薄い薄膜(t ~ 60 nm)では、Eu3+の成分が混入することで、蛍光ホログラフィーの斑点強度にコントラストが観られた。これは、Eu2+のみが存在する場合ではあり得ない振る舞いであり、Eu3+成分が混入したことで、局所的な原子変位が生じたことを示唆するものである。このようなEu3+のdisorder in orderに伴う局所変位が磁気異方性に影響している可能性が考えられる。価数選択的構造解析について今後さらに解析を進める。得られた成果について物質合成と磁気異方性の研究内容は論文にまとめて投稿した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NIST(米国)
• [Int'l Joint Research] Universite de Rouen Normandie/Universite de Rennes(フランス)
• [Int'l Joint Research] 東京大学/大阪大学(日本)
• [Journal Article] Single-crystal thin film growth of the Mott insulator EuVO3 under biaxial substrate strain (2022)
  • Author(s): H. Takatsu, M. Namba, T. Terashima, and H. Kageyama
  • Journal Title: J. Cryst. Growth Volume: 593 Pages: 126752-126752
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2022.126752
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical Pressure Effect on Structural and Physical Properties of 15R-SrVO2.2N0.6 with Anion-Vacancy Order (2022)
  • Author(s): K. Murayama, H. Takatsu (責任著者), M. Ochi, M. Namba, K. Kuroki, and Hiroshi Kageyama (責任著者)
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 91 Issue: 6
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.064805
  • Peer Reviewed
• [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] Dehydration of Electrochemically Protonated Oxide: SrCoO2 with Square Spin Tubes (2021)
  • Author(s): Li Hao-Bo、Kobayashi Shunsuke、Zhong Chengchao、Namba Morito、Cao Yu、Kato Daichi、Kotani Yoshinori、Lin Qianmei、Wu Maokun、Wang Wei-Hua、Kobayashi Masaki、Fujita Koji、Tassel Cedric、Terashima Takahito、Kuwabara Akihide、Kobayashi Yoji、Takatsu Hiroshi、Kageyama Hiroshi
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 143 Issue: 42 Pages: 17517-17525
  • DOI: 10.1021/jacs.1c07043
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Universal Dynamics of Magnetic Monopoles in Two-Dimensional Kagome Ice (2021)
  • Author(s): Takatsu Hiroshi*、Goto Kazuki、Sato Taku J.、Lynn Jeffrey W.、Matsubayashi Kazuyuki、Uwatoko Yoshiya、Higashinaka Ryuji、Matsuhira Kazuyuki、Hiroi Zenji、Kadowaki Hiroaki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 12
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.123705
  • NAID: 40022774042
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin Frustration in Protonated Rutile Oxides (2021)
  • Author(s): Takaoka Kazuki、Namba Morito、Li Haobo、Ishida Kodai、Takatsu Hiroshi*、Kageyama Hiroshi*
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 8 Pages: 084703-084703
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.084703
  • NAID: 210000159182
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 圧力で拓く負電荷水素(ヒドリド)をふくむ新しい層状酸化物 ～新物質合成と新物性探求～ (2023)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: SPring-8/SPRUC地球惑星科学研究会および高圧物質科学研究会合同研究会
  • Invited
• [Presentation] 水素複合化による新しいセラミックス材料の開発と新機能の探求 (2023)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会シンポジウム「T10 水素化物の研究最前線～物質開発と機能の現状・課題・展望～」
  • Invited
• [Presentation] 水素が含まれた新しいセラミックス材料の開発とマテリアルイノベーション (2023)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: 京都大学-企業間ワークショップ(若手研究者産学連携ワークショップ)：Fostering桂
  • Invited
• [Presentation] Chemical Pressure Effects on 15R-SrVO2.2N0.6 with Anion-Vacancy Order (2023)
  • Author(s): Kantaro Murayama, Hiroshi Takatsu, Masayuki Ochi, Morito Namba, Kazuhiko Kuroki, Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Collaboration Meeting on Mixed-Anion Compounds
• [Presentation] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2022)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: 超秩序構造科学 第4回成果報告会
• [Presentation] 水素複合化による新しいセラミックス材料の開発と新機能の探求 (2022)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: 第5回ハイドロジェノミクス研究会
• [Presentation] 水素をつかった新しいセラミックス材料の開発と機能の探求 (2022)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: KEK物構研・ミュオンS型課題/CIQuS研究会「無機材料中の水素の存在状態と機能発現」
  • Invited
• [Presentation] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2022)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: 超秩序構造科学 第5回成果報告会
• [Presentation] 蛍光X線/光電子ホログラフィーによる酸水素化物の価数選択的局所構造解析 (2022)
  • Author(s): 難波 杜人, 高津 浩, 木村 耕治, 橋本 由介, 八方 直久, 村山 寛太郎, 寺田 凌, 寺嶋 孝仁, 松下 智裕, 林 好一, 陰山洋
  • Organizer: 2022年日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 高圧下におけるEu1-xSrxVO2Hの異方的格子圧縮 (2022)
  • Author(s): 難波 杜人, 高津 浩, 村山 寛太郎, 柴崎 祐樹, 寺嶋 孝仁, 陰山 洋
  • Organizer: 2022年 第83回 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] イオン液体ゲート(ILG)を用いたYBa2Cu3O7-x薄膜へのフッ素挿入 (2022)
  • Author(s): 寺田 凌, 難波 杜人, 村山 寛太郎, 高津 浩, 寺嶋 孝仁, 陰山 洋
  • Organizer: 2022年 第83回 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] アニオン欠損秩序を持つ二次元構造15R-SrVO2.2N0.6に対する化学圧力の影響 (2022)
  • Author(s): 村山 寛太郎, 高津 浩, 越智 正之, 難波 杜人, 黒木 和彦, 陰山 洋
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Effects of chemical pressure on the two-dimensional structural 15R-SrVO2.2N0.6 with anion-vacancy sequence (2022)
  • Author(s): Kantaro Murayama, Hiroshi Takatsu, Morito Namba, Hiroshi Kageyama
  • Organizer: 国際学会IUMRS-ICMRS 2022
• [Presentation] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2022)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: 超秩序構造科学 第3回成果報告会
• [Presentation] 酸水素化物EuVO2Hにおける圧力誘起サイト間電荷移動 (2022)
  • Author(s): 難波 杜人, 高津 浩, 三木田 梨歩, Haobo Li, 村山 寛太郎, 寺田 凌, 陰山 洋
  • Organizer: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 基板依存性を有するSrVO2H 薄膜の中間相 (2022)
  • Author(s): 難波杜人, 高津浩, 近松彰, Haobo Li, 丸山敬裕, 長谷川哲也, 寺嶋孝仁, 陰山洋
  • Organizer: 日本セラミックス協会 Annual meeting 2022
• [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, 石田 耕大, Cedric Tassel, Xiangyu Gu, 高津浩, 陰山洋, 有田亮太郎, Craig M. Brown, Valerie Dupray, Simon Clevers, 酒井英明
  • Organizer: 日本セラミックス協会 Annual meeting 2022
• [Presentation] Strain-Assisted Topochemical Synthesis of La-Doped SrVO2H Films (2021)
  • Author(s): Hiroshi Takatsu, Masayuki Ochi, Morito Namba, Haobo Li, Aurelien Daniel, Takahito Terashima, Kazuhiko Kuroki, and Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2021)
  • Author(s): 高津 浩
  • Organizer: 超秩序構造科学 第2回成果報告会
• [Presentation] Ca substitution effect in the two-dimensional electron system SrVO2.2N0.6 with superlattices of anion vacancy (2021)
  • Author(s): Kantaro Murayama, Morito Namba, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SrCoO2.5F0.5 Thin Films Synthesized by the Ionic-Liquid-Gating Fluorine Insertion (2021)
  • Author(s): Morito Namba, Haobo Li, Takahito Terashima, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single crystal growth of highly electron doped TaON (2021)
  • Author(s): Kohdai Ishida, Cedric Tassel, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
  • Organizer: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸窒化物SrVO2.2O0.6に対するAサイトドープの影響 (2021)
  • Author(s): 村山 寛太郎, 難波 杜人, 高津 浩, 陰山 洋
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 電界効果を利用したフッ化反応による酸フッ化物単結晶薄膜の合成 (2021)
  • Author(s): 難波 杜人, Li Haobo, 高津 浩, 陰山 洋
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 酸窒化物ダブルペロブスカイトLa2MnTaO5Nにおけるスピンフラストレーションとアニオン置換効果 (2021)
  • Author(s): 石田耕大, Cedric Tassel, 渡部大地, 高津浩, 陰山洋, Craig M. Brown, Goran Jan Nilsen
  • Organizer: 第5回固体化学フォーラム研究会
• [Remarks] 脱水を伴う新しい還元反応の発見 －電気化学反応と脱水反応を組み合わせた新しい機能性材料の開拓－
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2021-10-19
• [Remarks] 同上
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/sites/default/files/2021-10/20211014-takatsu-84213e9b05530630153b1902f326d29e.pdf