2022 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
19H05790
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
遊佐 斉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (10343865)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長谷川 正 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20218457)
宮川 仁 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (40552667)
川村 史朗 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (80448092)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 高温高圧合成プロセス / 大容量ベルト型装置 / ダイヤモンドアンビルセル / 窒化物・ホウ化物合成 / 粒界制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
窒化イットリウム(YN)の高圧相が当初第一原理計算で予測されていた、B2(CeCl型)ではなくB10型であることが、120GPa以上のX線その場観察実験で明らかとなった(Yusa et al., Inorg. Chem., 2022)。N-N二量体包含CuAl2型VN2を新たに発見し、VイオンはV4+であること，体積弾性率が347GPaであることを明らかにした（Asano et al., Dalton Trans., 2022）。また，従来のプロトタイプ構造にはない空間群Cmcmの直方晶Mo3N5を新たに見出し、構造的にN-N二量体の方向に対応した軸異方性圧縮率を持ち、体積弾性率は328GPaであると決定された（Sasaki et al., Dalton Trans., 2022）。さらに、新規超高圧薄膜合成技術として、N-N二量体包含パイライト型PtN2薄膜を世界で初めて合成し、電流電圧特性と光反射率を測定し、バンドギャップ約2eVの半導体であることを明らかにした(Niwa et al., AIP Adv., 2022)。
超高圧力下パルス通電焼結法(HP-PECS)によるNaCl型TaN焼結体の作製を行った。昨年度とは異なり、PECSパラメータではなく、他のNaCl型窒化物（TiN, NbN, CrN）を添加による焼結体構造組織変化を検証した。CrN添加では、ビッカース硬度19 GPa程度まで、焼結体硬度の改善に成功した。また、高圧窒素環境中でのFlux-Film-Coated LPE (FFC-LPE)による、高品質GaN薄膜成長において、下地/エピタキシャル層界面の高分解TEM分析を他班連携により実施した。結果、僅かにフラックスに添加したSrが成長初期にSr-O系粒子として下地上に成長し、界面全体を覆うことにより、結晶成長の品質向上に寄与していることが明らかになった。
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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
高圧下複分解反応を展開し、難窒化性の窒化物化合物半導体（ASnN2）の探索をおこない、バンドギャップ制御に貢献できることを示してきた、今後さらに構成元素を制御する方向性で研究を進める。均一反応用急冷凝固プロセスと高圧合成プロセスを組み合わせて，チムニー・ラダー化合物などの半金属に富む新規化合物の創製と構造解析に成功し、結晶構造の非整合性などに由来する構造安定性や磁気機能を明らかにしてきた。また、結晶構造のN-N二量体に着目した新規金属多窒化物の創製を目指し、CuAl2型VN2や新規構造型Mo3N5などの発見やW-N系やTa-N-O系などの単結晶の創製に成功した。さらに，結晶構造や結晶欠陥を解明するとともに，安定性，結晶化学，硬質性や熱膨張特性といった機能物性を解明した。また、高融点多ホウ化物の新規物質合成や、YN新規高圧相の100GPa以上の圧力での構造安定性に関する研究を進めてきた。このような、高温高圧プロセスの特徴を活かした物質探索も順調に進展している。
一昨年度から、立ち上げ開発をおこなってきたHP-PECSの実証において、TaN等、導電性の大きい物質は、相転移を含めた焼結実験において、PECSパラメータの最適化のみならず、他の遷移金属窒化物の添加効果は、組織制御の点で非常に大きく関与することも示された。SnS半導体について次世代のSiタンデム太陽電池への応用を見据えて、バンドギャップEg＝1.8eVにチューニングした太陽電池デバイス化を実施している。これまでに効率はEeff≒0.5%と低いものの、実際に発電可能であることを実証している。現在、効率が低いことについて、AE-SnS成膜時のダメージによりキャリアの再結合が起こっていることを想定し、実証実験を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに開発してきた幅広い圧力領域での物質高圧合成装置、高圧化学反応と機能物性評価装置に加え、前年度導入した高圧合成用高分解能分光器を利用した高圧その場測定を用いて、遷移金属－半金属系化合物や多成分系酸化物・金属窒化物・金属リン化物などの新物質を創製し、それぞれの物質の結晶化学および電子構造を明らかにするとともに、弾性、熱膨張性、蛍光特性、磁性、硬質物性などの機能物性の解明と緩和を含めた構造・欠陥との相関を明らかにする。これらの研究において、構造解析研究、計算研究を推進する他班との連携を推進し、機能物性と機能コアの関わりを明らかにすることを目指す。
新手法のHP-PECSの開発と利用研究においては、高い導電性の遷移金属窒化物において、PECSパラメータの追究と成分添加による硬質機能向上を試みてきた。今後、共添加成分も検討し、焼結条件を追究していく予定である。粒界析出物が認められた試料では、SEM-EDX等による析出物の同定を進めるとともに、物性に対しての影響を検証するために、磁化率や硬度測定等を検証する。
最近、新規反強磁性半導体としてMnSnN2薄膜合成が報告された. 磁性半導体は、磁気特性を電界や光などの外部入力によって制御できることで注目されるが、Intrinsicな物性評価のためにはバルク結晶の合成が必須である. これまでに高圧下複分解反応を用いて開発してきたZnSnN2, CaSnN2, MgSnN2等の半導体合成のノウハウを用いてMnSnN2のバルク合成を実施する. また、MnSnN2は常圧ではウルツ鉱型が安定であるが、高圧相転移温度・圧力についても調査する.
高圧構造のその場観察における高速時間軸の導入によるX線データ収集の効率化や歪み下の相転移過渡現象の追跡のための技術開発も進める。
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