2020 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
18H05518
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福谷 克之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
町田 晃彦 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員 (70354983)
大友 季哉 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (90270397)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / 量子ビーム計測 / 金属水素化物 / 金属酸化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究では，様々な材料中の水素を精密に計測するための核反応法(NRA)，中性子回折(ND)，X線回折(XRD)の高度化を図るとともに，材料の水素化過程や機能発現その場解析可能なオペランド計測技術の開発を目指している．これらの計測法を駆使し，新学術領域の他の計画研究と連携することで，新規水素化物や水素化過程の解析を行う．さらにシミュレーション技術と連携して水素データ同化技術を確立することで，ハイドロジェノミクスの基盤を築き，高次水素機能を誘起する学理構築を目指している．
昨年度までに，個々の計測技術の高度化をはかるとともに，チャネリングとNRAの同時測定(c-NRA)による水素サイト決定法の開発，ラジアルコリメータを利用したオペランドND測定法の確立，ブラッグコヒーレントX線回折イメージング（BCDI）測定装置の準備を行った．本年度はこれらの測定法を活用し，NRAと光電子分光を用いた二酸化チタン水素処理による電子状態修飾効果，c-NRAによるPd準安定水素化物の水素サイト決定，オペランドNRAによるニッケル酸化物の水素誘起金属ー絶縁体転移，NDによるV10Ti35Cr55の劣化メカニズムの検討、NDによるLi5MoD11の構造解析，BCDIによるパラジウムナノ結晶の3次元像解析，を行った．さらにNDにおいて軽水素の中性子非干渉性散乱成分の除去のための偏極中性子回折の開発とXRDについてX線全散乱プロファイルから導出される原子二体分布関数（PDF）測定の高度化を進めた．また，A01と連携して金属酸化物への水素イオン照射による電子状態変調効果，高温高圧合成した新規水素化物の放射光X線回折測定，A02と連携してヘテロ界面の水素終端効果，A02水素化物薄膜と連携したc-NRAの高度化に関する研究を進めた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計測技術の開発について，当初の計画通り進んでおり，開発した計測法を駆使して種々の水素化物の解析と物理メカニズムの解明を進めている．水素化処理により生成するブラックチタニアについて，原子状水素を用いた水素化処理法を新たに開発し，そのときの水素量を定量するとともに，価電子帯の形状が変化しバンドギャップが狭くなることを明らかにした．Pdに水素イオン照射した際に形成される準安定状態についてc-NRAによる解析を行い，水素がTサイトを占有し加熱によりOサイトに移動することを明らかにした．ペロブスカイト型Ni酸化物の水素誘起金属―絶縁体転移をオペランドNRAにより調べ，絶縁体化する水素量の定量に成功した．水素貯蔵合金V10Ti35Cr55の水素吸蔵放出サイクルによる劣化過程について，中性子全散乱およびX線回折データの2相モデルによるRietveld解析を行い、水素放出後相における4種類の水素占有サイトのうち特定のサイトにおける占有率がサイクルとともに増加する傾向を得た．偏極中性子回折実験を実施するに向けて，試料配置，温度条件，ガス圧条件，などの確認を終了し本実験の準備を終了した．BCDI法による一粒子の3次元非破壊イメージングのために，試料保持法としてTEM用グリッドまたはSiNメンブレン上にナノ粒子を分散させる方法を開発し，粒子を特定するための20～100倍に対応したデジタル光学顕微鏡用低倍率対物レンズを導入し、X線照射位置との対応を可能にした．40nm級パラジウムナノ結晶粒子を対象としたBCDI測定では金コートによって試料のドリフトを抑えた結果、3次元イメージの取得に成功した。さらに高温実験に向けた測定環境整備として試料ホルダーを設置する真空槽へ取り付ける局所加熱ヒーター用フィードスルーを導入し、オフラインで約1100℃までの加熱試験を実施した。
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| Strategy for Future Research Activity |
チャネリングーNRAでは，これまでにキャリアーの異常符号反転を観測したTi水素化物について，水素の構造を調べる．シミュレーションも併用することで，水素の格子内位置の詳細な解析を行う．またNRAに13MeVに存在する第2共鳴を利用して低濃度試料についてのc-NRAを試みる．異常拡散の可能性が指摘されているV薄膜について，NDを用いた測定，抵抗測定およびNRAを用いた拡散計測を行うための試料作製に取り組む．ペロブスカイト型Ni酸化物について，抵抗測定と光電子分光の同時測定システムを開発し，金属絶縁体転移に伴う電子状態変化を観測する．
水素貯蔵合金V10Ti35Cr55の水素吸蔵放出前後試料について，Rietveld解析，二体分布関数に基づくモデリングおよび中性子非弾性散乱から得られる水素振動エネルギーを考慮し，データ同化も併用して水素吸蔵による劣化メカニズムの解明を行う．中性子ビームを用いた偏極中性子実験について，ナトリウム水素化物を用いた実験を行い，中性子の偏極度評価，偏極を考慮した非干渉性散乱成分分離法の確立，を試みる．そのうえで、偏極中性子を用いたH2Oの構造解析を行う。
BCDIについて，オペランド測定に向けた環境整備を進める。高温測定，さらに水素ガス雰囲気下での測定実現に向けて，試料セル開発，試料保持法の確立，標準試料との対比計測法の開発を実施する。開発した手法を用いて，パラジウムナノ結晶粒子水素化による粒子内のドメイン構造の3次元イメージングを実現する．原子二体分布関数解析による局所構造解析を相補的に利用し、ナノ粒子に特徴的な水素化による構造変化等の解明を進める。また、基板上に成長させたナノドット状試料等これまでと異なる形態の試料に対してBCDI測定を試み、適用可能試料の拡張を図る。
引き続き，A01-A04およびA05-1との連携を強化し，新規水素化物の解析を行う．
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[Journal Article] The average and local structure of TiVCrNbDx (x = 0, 2.2, 8) from total scattering and neutron spectroscopy2021
Author(s)
Magnus M. Nygard, Oystein S. Fjellvag, Magnus H. Sorby, Kouji Sakaki, Kazutaka Ikeda, Jeff Armstrong, Ponniah Vajeeston, Wojciech A. S lawinski, Hyunjeong Kim, Akihiko Machida, Yumiko Nakamura, Bjorn C. Hauback
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Journal Title
Acta Materialia
Volume: 205
Pages: 116496～116496
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Polarity reversal of the charge carrier in tetragonal TiHx (x = 1.6-2.0) at low temperatures2020
Author(s)
Shimizu Ryota,Sasahara Yuki,Hamada Ikutaro,Oguchi Hiroyuki,Ogura Shohei,Shirasawa Tetsuroh,Kitamura Miho,Horiba Koji,Kumigashira Hiroshi,Orimo Shin-ichi,Fukutani Katsuyuki,Hitosugi Taro
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Journal Title
Physical Review Research
Volume: 2
Pages: 33467
DOI
Peer Reviewed
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[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)
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[Presentation] Electron Doping into Sr<sub>2</sub>IrO<sub>4</sub> by Hydrogen Ion Beam Irradiation2021
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)
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