2016 Fiscal Year Annual Research Report
Crystal chemistry and novel properties of nitrogen-rich transition metal nitride single crystals
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16H02388
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長谷川 正 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20218457)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白子 雄一 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (20736748)
曽田 一雄 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70154705)
亀卦川 卓美 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, 准教授 (70195220)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 良質単結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は4年間で実施するが，前半の2年間特に初年度28年度では，研究代表者と研究分担者に加えて超高圧地球科学が専門の研究者の協力を得て，まず圧力領域に応じた2種類の手法を用いて超高圧高温下で温度と化学反応を十分に制御して結晶成長できる技術の開発を進めた．そして，遷移金属多窒化物の新物質探査と良質単結晶の育成に注力した．まず，ダイアモンドアンビルセルを用いた80ギガパスカル程度までのサブメガバール領域での単結晶育成を中心に取り組んだ．主な開発項目は，単結晶育成用のダイアモンドアンビルセル用ガスケットの設計と最先端微細加工技術を駆使した製作，およびダイアモンドアンビルセル用ガスケット試料室内の温度場の均一性と制御性の実現，並びにガスケット試料室内での結晶成長フラックス剤の最適化とした．そのために，超高圧高温研究に関する様々な高度な要素技術を組み合わせた．そこで，各要素技術に豊富な経験と多くの実績を有する専門家が相互に緊密に協力して研究に取り組んだ．また，上記のダイアモンドアンビルセル用ガスケットの技術開発と並列して，大型の良質単結晶の育成に用いる2段式マルチアンビル大型プレス高圧発生合成装置の詳細な設計を開始するとともに，そのための様々な試行実験を行った．研究の進捗状況に応じて，遷移金属多窒化物の構造物性を解明するためにメンバー全員の専門性を生かして，育成した良質単結晶を用い，結晶構造と電子構造及び電子・磁気・格子物性とそれらの異方性といった基礎物性の精密測定・解析を系統的に行うことを試みた．上記の研究を進めた結果，いくつかの後期遷移金属窒化物の新物質の創製に成功し，結晶構造と電子構造を解明し，力学物性や光学物性，圧縮特性の異方性といった基礎物性を明らかにした．また，一部の前期遷移金属窒化物については，ダイアモンドアンビルセルを用いた超高圧下での単結晶育成に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の最も重要な目的は遷移金属多窒化物の物質科学を格段に進展させるための精緻な研究である．そのためには，遷移金属多窒化物の超高圧結晶成長技術を開発し，良質単結晶試料を用いた測定による揺るぎない信頼性の高い実験データを取得することである．これに対し，今年度では，当初の計画とおり，圧力領域に応じてダイアモンドアンビルセルとマルチアンビルプレスの2種類の超高圧発生装置を用いて，超高圧高温下で結晶成長できる技術の開発と設計を進めることができた．マルチアンビルプレスを用いた同物質群の単結晶育成に関しては，大型の良質単結晶の育成に用いる2段式マルチアンビル大型プレス高圧発生合成装置の詳細な設計を開始するとともに，そのための様々な試行実験を現有のマルチアンビルプレスを用いて行うことができた．試行実験を進める過程において，現有装置の不測の故障が生じたため，修理のために当装置の故障部品の交換と装置の調整が必要となり，開発する装置の詳細な設計計画が少し遅れることとなったが，試行実験は進めており研究全体の進展に大きな影響は与えるものではない．一方，ダイアモンドアンビルセルを用いた手法においては，一部の前期遷移金属多窒化物において新物質の合成に成功するとともに，明瞭な晶癖がみられる単結晶の育成に成功した． そして，単結晶試料を用いて，結晶構造を明らかにするとともに，弾性率などの基礎物性や圧縮特性の異方性などを解明した．また，超高圧力領域での相安定性を超高圧その場測定によって明らかにした．さらに，第一原理計算を用いて，電子構造を解明して電気的磁気的物性を予測した．また，これらの成果を国内外の関連会議や学術論文として発表することができた．このような単結晶試料の育成とそれを用いた一連の系統的な解明は，同物質群では世界で初めての成果であり，当初の計画以上に研究が進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果と問題点を再度チェックし，目的達成のための結晶育成・評価・解析を考察して研究を推進する．結晶育成に関しては，超高圧領域を扱うため，対象物質次第では技術的な壁にぶつかることも考えられる．その際は，固体窒素単体の超高圧領域の研究などで顕著な業績があり，代表者らとすでに共同研究の実績がある海外研究者に技術的なサポートを要請して問題を克服する．さらに，実際にダイアモンドアンビルセルやマルチアンビル大型プレスを製作している企業と綿密に連絡をとり，あらゆる技術的ノウハウを駆使して問題を克服する．各分野の専門家が常に有機的に連携して，実験研究に理論計算解析研究を加えて，系統的かつ包括的に研究を進める．確立した超高圧結晶成長手法を用いて，遷移金属多窒化物の試料を系統的に次々と合成・育成する．高圧その場ラマン測定や高圧その場放射光X線回折測定を行い，相変化や結合の変化及び相安定性と結晶構造を解析する．常圧回収した試料を用いて，放射光施設を利用したXPS・UPS測定実験を行い，結合状態，特に窒素間結合と電子構造を解析する．さらに，常圧回収試料のTEM 高分解能観察とTEM-EELS測定を行い，精密結晶構造解析と結合状態解析を行う．結晶構造を基に，第一原理電子構造計算プログラムwin2kを用いて電子構造と結合状態を解析し，各実験結果と比較・検討する．遷移金属多窒化物について，窒素間結合状態，メガバール 超高圧高温下での相安定性，結晶構造，電子構造を包括的に解明する．同物質群の相安定性を結晶構造と電子構造の系統性から理解する．遷移金属多窒化物の系統的な単結晶育成と，相安定性と電子構造の解明において課題が生じ，研究の進捗に遅れが出る可能性がある場合には，単結合遷移金属多窒化物の研究などで顕著な業績がありすでに共同研究を進めている海外研究者に無機化学の観点から助言をもらい問題を克服する．
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[Journal Article] Platinum-group metal L2,3- or M2,3-edge x-ray absorption spectra of platinum-group metal dioxides and pernitrides2016
Author(s)
K. Soda, T. Mizui, D. Kobayashi, M. Kato, T. Terabe, K. Suzuki, Y. Shirako, K. Niwa, M. Hasegawa, M. Akaogi, H. Kojitani
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Journal Title
The 39th International Conference on Vacuum Ultravilet and X-ray Physics Program and abstracts book
Volume: 39
Pages: 182-182
Peer Reviewed
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[Presentation] Platinum-group metal L2,3- or M2,3-edge x-ray absorption spectra of platinum-group metal dioxides and pernitrides2016
Author(s)
K. Soda, T. Mizui, D. Kobayashi, M. Kato, T. Terabe, K. Suzuki, Y. Shirako, K. Niwa, M. Hasegawa, M. Akaogi, H. Kojitani
Organizer
The 39th International Conference on Vacuum Ultravilet and X-ray Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] パイライト型固溶体Ni1-xCuxS2の軟X線吸収分光と光電子分光2016
Author(s)
稲垣貴大, 曽田一雄, 加藤政彦, 岩崎純也, 秋田貴弘, 白子雄一, 丹羽 健, 長谷川 正, 野本豊和, 村井崇章, 陰地 宏，仲武昌史
Organizer
第48 回日本原子力学会中部支部研究発表会
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