2016 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | 3D Active-Site Science |
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26105002
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
福村 知昭 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (90333880)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内富 直隆 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (20313562)
白方 祥 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (10196610)
成塚 重弥 名城大学, 理工学部, 教授 (80282680)
Lippmaa Mikk 東京大学, 物性研究所, 准教授 (10334343)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / 結晶工学 / エピタキシャル / MBE / 先端機能デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画では、先端半導体や先端機能材料を作製して3次元原子構造解析を行い、高性能かつ高機能を有する３Ｄ活性サイト材料の創製に資することを目的としている。ドーパント活性サイトの創製と構造の解明、表面・界面活性サイトの創製と構造・電子状態の解明、および３Ｄ活性サイト材料のデバイス応用と異物質融合による機能創出のために、化合物半導体、グラフェン、酸化物半導体、そして遷移金属酸化物等の電子材料のバルク材料や薄膜材料の作製と局所構造評価を進めてきた。そして、本計画班で扱う酸化物、化合物半導体等の様々な単結晶および薄膜試料は蛍光X線ホログラフィーと相性がよいことがこれまでの研究からわかってきた。蛍光X線ホログラフィー等のホログラフィー測定により、X線回折法や透過電子顕微鏡では得られなかった3次元の局所構造がいろいろな材料で得られている。特に、ドーパント周辺の局所構造は、ドーパント原子が母物質の原子を置換するという単純な描像ではなく、ドーパント原子が周囲の局所構造を母物質と異なる結晶構造に変えてしまう場合があるということがわかってきた。たとえば、酸化物では、ドーパント周囲で様々なサブオキサイド構造の形成が異なる材料で観測されている。すなわち、材料にドーピングを行う場合でも、ドーパント原子が局所構造に与える影響まで考慮して材料設計を行う必要がある。したがって、ドーパント周辺の局所構造を蛍光X線ホログラフィー等の手段で解明することが重要である。また、室温強磁性酸化物半導体CoドープTiO2に存在するサブオキサイド構造のように、新たに形成された局所構造がマクロな物性に与える影響も調べていく必要がある。これらの知見は、最先端機能材料を設計するうえで重要な鍵となる。
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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
ルチル構造CoドープTiO2より低キャリア濃度で強磁性が発現し、室温強磁性の制御が可能なアナターゼ構造CoドープTiO2の蛍光X線ホログラフィーにより、母体のアナターゼ構造と異なるCo周囲のサブオキサイド構造が観測され、第一原理計算による検討によって、最安定な構造を同定することができた。同じく、高温強磁性を示す化合物半導体ZnSnAs2:Mnについても、蛍光X線ホログラフィーにより、ZnSnAs2はスファレライト構造であり、ZnSnAs2:Mnの各結合長や結合角を導出することができた。太陽電池関連材料であるCuIn3Se5の結晶構造が蛍光X線ホログラフィーによりPaszkowiczモデルに合うことがわかった。可視光領域で光触媒能を示すSrTiO3:RhのRhの価数の異なる試料で蛍光X線ホログラフィーを行った結果、SrTiO3:Rh4+では試料全体がペロブスカイト構造であるのに対し、SrTiO3:Rh3+ではRh-Vo-RhやTi-Rh-Ti等のクラスターが存在し、キャリア移動度の低下を引き起こしていることがわかった。
機能性材料の構造解析と並行し、３Ｄ活性サイトをもつ材料の開発に取り組んだ。マイクロチャネルエピタキシーによるGaNやGaAs薄膜成長やグラフェンの成長、可視光触媒材料SrTiO3:Irおよび電極材料IrO2の薄膜成長、異常原子価をもつ希土類単酸化物、等である。SrTiO3:IrではIrナノピラーが自己形成し、高効率な水分解反応を示した。また、最近発見した層状酸化物超伝導体Y2O2Biは、酸素過剰でc軸が伸張した試料でないと超伝導が発現しない。これは挿入された酸素原子が層間距離を広げて超伝導を誘発していると考えられる。Y2O2Biではキャリア濃度の顕著な変化はないため、c軸長の変化が超伝導発現の本質である可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
さまざまな機能性無機材料の３D活性サイトの局所構造の観察および解析を進める。最近発見したY2+という異常原子価をもつ新希土類単酸化物YOエピタキシャル薄膜の価数選択蛍光X線ホログラフィーにより結晶構造を決定する。同じく新超伝導体Y2O2Biの超伝導発現の隠れた活性サイトの可能性がある過剰酸素のサイトを中性子回折により決定する。室温強磁性を示すMnドープZnSnAs2薄膜について、蛍光X線ホログラフィーで得られたMnドーパント周辺の局所構造を第一原理計算に反映させ、強磁性発現の起源を調べる。ハーフメタルと予想されている閃亜鉛鉱型構造磁性金属MnAs薄膜の結晶成長が可能か、分子線エピタキシーとCTRを用いて検討する。太陽電池材料について、引き続き蛍光X線ホログラフィーによりCu-In-Se系のCu欠損化合物であるCu2In4Se7, CuIn3Se5, CuIn5Se8の局所構造の解明を試みる。また、赤色LED窒化物半導体GaN:Eu/Al2O3エピタキシャル層とGaN:Eu/ GaNホモエピタキシャル層のEu3+発光中心の蛍光X線ホログラフィー測定により、Al2O3基板による格子歪みがEu3+発光中心の局所構造に与える影響を考察する。AuNi触媒を用いて平坦性の優れたグレインサイズの大きなグラフェン層の成長を行い、グラフェン析出成長の様子をその場X線回折装置を用いて観察し、析出成長のメカニズムを解明する。また、CドープGaNやSi高濃度ドープGaAsの蛍光X線／光電子ホログラフィーによる局所構造測定を行う。異なるドーパントの価数をもつRhドープSrTiO3のRh周辺の局所構造とキャリアの光生成メカニズムの関係を調べる。LaAlO3/SrTiO3:Ir/SrTiO3等の2次元活性サイトとなるヘテロ界面へと展開し、界面の局所構造および電子物性を調べる。
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[Journal Article] Magnetic and magnetodielectric properties of epitaxial iron vanadate thin films2017
Author(s)
D. Zhou, R. Takahashi, Y. Zhou, D. Kim, V. K. Suresh, Y.-H. Chu, Q. He, P. Munroe, M. Lippmaa, J. Seidel, N. Valanoor
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Journal Title
Adv. Electron. Mater.
Volume: 3
Pages: 1600295-1-10
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Magnetic percolation in (Zn,Mn,Sn)As2 thin films2016
Author(s)
N. Uchitomi, S. Hidaka, H. Toyota, M. Yamazaki, K. Takamura, K. Mayama, H. Uchida
Organizer
20th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
Place of Presentation
Land Sachsen-Anhalt, Germany
Year and Date
2016-09-05 – 2016-09-09
Int'l Joint Research
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