Development of titanium-based suboxide by high-pressure quenching method and search for quasi-periodicity

• Project Area: Hypermaterials: Inovation of materials scinece in hyper space
• Project/Area Number: 22H04601
• 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: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 山浦 一成 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, グループリーダー (70391216)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 酸化物系準結晶 / Au4Al型 / Ti3RhSiO / 高圧合成 / 準結晶 / 亜酸化物

Outline of Research at the Start

金属亜酸化物は電気陰性度が小さい金属がクラスター状に結合する多面体と隙間にある酸素を特徴とする。このため、Cs11O3やRb9O2のように金属過剰組成になる傾向が強い。また金属亜酸化物の多くは大気中で不安定だ。近年、大気中で安定なチタン系亜酸化物結晶がビスマス・フラックス法で育成された。これらはTiに配位されたGaからなる多面体を特徴とするが、準結晶に特徴的な20面体クラスター構造を含まない。このため、主に高圧急冷法を手段として物質開発を進め、大気中でも安定な、さらに20面体クラスター構造を含むチタン系亜酸化物の創製、またさらにはそれを母相とする近似結晶、準結晶の創製を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

1984年にAl-Mn合金で準結晶が発見されて以来、研究は主に合金系で進展してきた。これらのブレークスルーは、結晶学に革命をもたらしただけでなく、2010年代初頭以降、超伝導［Kamiya et al,Nat.Comm 2018］、反強磁性［Tamura et al,Phys.Rev.B 2010］、量子臨界現象［Deguchi et al,Nat.Mater. 2012］においても重要な発見をもたらした。このような発見は、材料における新たな機能性への道を開いてきた。酸化物系の開発は、実用化に向けてさらに前進するために極めて重要である。
支配的なイオン結合と準周期性を特徴とする"酸化物準結晶"の合成を探ることは、バルクでは依然として困難な課題である。その結果、最近の研究は、金属結合と中間的な酸素含有量を特徴とする金属亜酸化物の探索にシフトしている。
Ti-Cr-Si-O系では、Mackay型準結晶とその近似結晶の発見が特に注目されている。格子間の酸素を特徴とするこれらの構造は、電気伝導性や磁気応答などの材料特性を変化させる上で重要な役割を果たしている。この課題では、Ti3RhSiO試料の放射光X線回折分析により、複雑な正20面体クラスターを特徴とするAu4Al型材料の形成が示された。この構造は、先端技術応用に不可欠な堅牢性と磁気的挙動という点で新たな特性を提供する可能性がある。
β-Mn型材料としても知られるAu4Al型材料は、消費電力を大幅に削減し、処理速度を向上させることができるスピントロニクスなどの分野で大きな期待が寄せられている。本研究で得られた成果は、これらの材料中の酸素含有量を増やすと磁気特性にどのような影響を及ぼすかについて、さらなる研究を進めるための確かな基礎となり、将来に向けて持続可能な高性能材料を開発するという、より広範な目標にも合致するものである。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5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 Oxford/University College London/Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [Int'l Joint Research] Univ. Artois(フランス)
• [Int'l Joint Research] Institute of Physics, CAS(中国)
• [Journal Article] High-pressure synthesis and magnetic properties of Gd2Rh3Al9 with a distorted honeycomb lattice (2024)
  • Author(s): H. Hiroaki, X. Kang, A. A. Belik, H. K. Yoshida, and K. Yamaura
  • Journal Title: Journal of Solid State Chemistry Volume: 330 Pages: 124487-124487
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2023.124487
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Review of progress in the materials development of Re, Os, and Ir-based double perovskite oxides (2024)
  • Author(s): J. Chen, H. L. Feng, and K. Yamaura
  • Journal Title: Materials Today Physics Volume: 40 Pages: 101302-101302
  • DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101302
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental studies on crystal structures and phase transitions in perovskite-type RbNbO₃ (2023)
  • Author(s): Fukuda Masayuki、Yamaura Kazunari
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 131 Issue: 5 Pages: 126-129
  • DOI: 10.2109/jcersj2.23012
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Year and Date: 2023-05-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-pressure synthesis of half-doped perovskites MnV0.5Nb0.5O3 and MnV0.5Ta0.5O3 with unusual A-site small Mn2+ cations (2023)
  • Author(s): X. Kang, H. Hayashi, A. A. Belik, Y. Tsujimoto, and K. Yamaura
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 44 Issue: 1 Pages: 25-37
  • DOI: 10.1080/08957959.2023.2283543
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] La4Ga2S8O3: A Rare-Earth Gallium Oxysulfide with Disulfide Ions (2023)
  • Author(s): Yan Hong、Fujii Kotaro、Kabbour Houria、Chikamatsu Akira、Meng Yu、Matsushita Yoshitaka、Yashima Masatomo、Yamaura Kazunari、Tsujimoto Yoshihiro
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 62 Issue: 26 Pages: 10481-10489
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.3c01524
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic inhomogeneities in the quadruple perovskite manganite [Y2-xMnx]Mn6 O12 (2023)
  • Author(s): A. M. Vibhakar, D. D. Khalyavin, P. Manuel, N. J. Steinke, L. Zhang, K. Yamaura, A. A. Belik, and R. D. Johnson
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Issue: 5 Pages: 54403-54403
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.054403
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hybrid Improper Ferroelectricity in Columnar (NaY)MnMnTi4O12 (2023)
  • Author(s): R. Scatena, R. Liu, V. V. Shvartsman, D. D. Khalyavin, Y. Inaguma, K. Yamaura, A. A. Belik, and R. D. Johnson
  • Journal Title: Angewandte Chemie - International Edition Volume: 62 Issue: 29
  • DOI: 10.1002/anie.202305994
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Promising Approach to Achieving a Large Exchange Bias Effect in Bulk Materials with Small Cooling Fields (2023)
  • Author(s): X. Kang, R. Ishikawa, A. A. Belik, Y. Tsujimoto, S. Kawata, and K. Yamaura
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 35 Issue: 20 Pages: 8621-8628
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c01653
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cd2FeReO6: A High-TC Double Perovskite Oxide with Remarkable Tunneling Magnetoresistance (2023)
  • Author(s): X. Kang, R. Ishikawa, A. A. Belik, Y. Tsujimoto, M. Arai, S. Kawata, and K. Yamaura
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 62 Issue: 45 Pages: 18474-18484
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.3c02671
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large anomalous Hall effect observed in the cubic-lattice antiferromagnet Mn3Sb with kagome lattice (2023)
  • Author(s): Hayashi Hiroaki、Shirako Yuichi、Xing Lei、Belik Alexei A.、Arai Masao、Kohno Masanori、Terashima Taichi、Kojitani Hiroshi、Akaogi Masaki、Yamaura Kazunari
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Issue: 7 Pages: 75140-75140
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.075140
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cycloidal spiral magnetic structures in the spin-chain compounds BaRFeO4 (R=Yb and Tm): Ordered Yb versus partly ordered Tm (2023)
  • Author(s): Donni, A.; Pomjakushin, V. Y.; Yamaura, K.; Belik, A. A.
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 107 Issue: 13
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.134412
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Realization of triple A-site cation ordering through the Dy/Mn/Zn combination in the ferrimagnetic Dy2MnZnMn4-xTixO12 perovskites (2023)
  • Author(s): Belik, A. A.; Liu, R.; Yamaura, K.
  • Journal Title: Ceram. Int. Volume: 49 Issue: 9 Pages: 14327-14334
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2023.01.019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin-glass to long-range order to spin-glass evolution of magnetic properties with the composition in Sm2MnZnMn4-xiO12 (x=1, 2, and 3) perovskites (2023)
  • Author(s): Belik, A. A.; Liu, R.; Yamaura, K.
  • Journal Title: J. Alloy. Compd. Volume: 932 Pages: 167727-167727
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.167727
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ferrimagnetic Ordering and Spin-Glass State in Diluted GdFeO3-Type Perovskites (Lu0.5Mn0.5)(Mn1-xTix)O3 with x = 0.25, 0.50, and 0.75 (2023)
  • Author(s): Belik, A. A.; Liu, R.; Donni, A.; Tanaka, M.; Yamaura, K.
  • Journal Title: Materials Volume: 16 Issue: 4 Pages: 1506-1506
  • DOI: 10.3390/ma16041506
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of mixed anion ordered state on the magnetic ground states of S=1/2 square-lattice quantum spin antiferromagnets, Sr2NiO3Cl and Sr2NiO3F (2022)
  • Author(s): Tsujimoto Yoshihiro、Sugiyama Jun、Ochi Masayuki、Kuroki Kazuhiko、Manuel Pascal、Khalyavin Dmitry D.、Umegaki Izumi、M?nsson Martin、Andreica Daniel、Hara Shigeo、Sakurai Takahiro、Okubo Susumu、Ohta Hitoshi、Boothroyd Andrew T.、Yamaura Kazunari
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Issue: 11 Pages: 11440-11440
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.6.114404
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-Pressure Synthesis and Magnetic and Electrical Properties of Fe-Doped Bi3Re3O11 and Bi3Os3O11 (2022)
  • Author(s): Kang, X.; Belik, A. A.; Tsujimoto, Y.; Yamaura, K.
  • Journal Title: Inorg. Chem. Volume: 61 Issue: 51 Pages: 21148-21156
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c03837
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inverse exchange bias effects and magnetoelectric coupling of the half-doped perovskite-type chromites Gd0.5Sr0.5CrO3 and Gd0.5Ca0.5CrO3 (2022)
  • Author(s): Dalal Biswajit、Kang Xun、Matsushita Yoshitaka、Belik Alexei A.、Tsujimoto Yoshihiro、Yamaura Kazunari
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 10
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.104425
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of the cubic double-perovskite Sr2Cr0.84Ni0.09Os1.07O6 (2022)
  • Author(s): Chen Jie、Tsujimoto Yoshihiro、Belik Alexei A.、Yamaura Kazunari、Matsushita Yoshitaka
  • Journal Title: Acta Crystallographica Section E Crystallographic Communications Volume: 78 Issue: 11 Pages: 1135-1137
  • DOI: 10.1107/s205698902201012x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dielectric and Spin-Glass Magnetic Properties of the A-Site Columnar-Ordered Quadruple Perovskite Sm2CuMn(MnTi3)O12 (2022)
  • Author(s): Belik, A. A.; Liu, R.; Yamaura, K.
  • Journal Title: Materials Volume: 15 Issue: 23 Pages: 8306-8306
  • DOI: 10.3390/ma15238306
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Triple A-Site Cation Ordering in the Ferrimagnetic Y2CuGaMn4O12 Perovskite (2022)
  • Author(s): Belik, A. A.; Khalyavin, D. D.; Matsushita, Y.; Yamaura, K.
  • Journal Title: Inorg. Chem. Volume: 61 Issue: 36 Pages: 14428-14435
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c02343
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸素含有Ti系ハイパーマテリアルの合成 (2023)
  • Author(s): 押切倫太郎, 山浦一成, 山本貴史, 石川明日香, 田村隆治
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Exploration of oxide-based hypermaterials using high-pressure quenching (2023)
  • Author(s): Mitsuki Hashizume, Alexei Belik, Kazunari Yamaura, Asuka Ishikawa, Shintaro Szuki, Ryuji Tamura
  • Organizer: International conference on complex orders in condensed matter: aperiodic order, local order, electronic order, hidden order
  • Int'l Joint Research