2018 Fiscal Year Annual Research Report
Crystal chemistry and novel properties of nitrogen-rich transition metal nitride single crystals
| Project/Area Number |
16H02388
|
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
長谷川 正 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20218457)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 単結晶 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
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と新しく開発した大容量試料用のマルチアンビル大型プレス高圧発生合成結晶育成装置を用いた単結晶育成を行なった．さらに，結晶構造と電子構造および力学物性や光学物性とそれらの異方性といった基礎物性の精密測定・解析を系統的に行なった．ダイアモンドアンビルセルを用いた単結晶育成では，様々な新しい窒化物の発見と単結晶育成に成功した．例えば，クロムの二窒化物という新しい多窒化物を発見するとともに，その単結晶育成に成功した．さらに，これらの遷移金属多窒化物の研究で得られた手法を典型金属窒化物に適用し，新しいスズの多窒化物の発見に成功した．これらの新しく発見した窒化物の結晶構造や安定性および物性と電子構造を実験と理論計算によって解明した．特に，物性評価研究では，ダイアモンドアンビルセルで得られた微小試料に対して，Spring8放射光施設を利用した反射率測定技術をほぼ確立し，微小試料でも十分に議論に耐えられる反射率の測定結果を得ることに成功した．新しく開発した大容量試料用のマルチアンビル大型プレス高圧発生合成結晶育成装置を用いた単結晶育成では，前年度開発した最適な結晶育成溶媒を用いて様々な物質の単結晶の育成に成功した．例えば，新しい結晶構造を有するタングステンの窒化物の単結晶やタンタル（酸）窒化物のウィスカー結晶の育成に世界で初めて成功した．これらの結晶育成最適条件を見出すとともに．安定性を明らかにした．さらに，関連物質である遷移金属のリン化物や酸窒化物の研究も推進した．その結果，パラジウムのリン化物において新物質を発見し，結晶構造について詳細に調査した．多成分系の酸窒化物については，例えば，MnTaO2N-TaON-MnO2ヘテロ構造体を高圧下で合成し，電位－光電流特性を明らかにした．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では，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を推進できる超高圧結晶成長プロセス・手法を開発することを第一の具体的な目的としている．そして第二の目的として，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としている．これらの目的に対し，超超高圧領域を対象とするダイアモンドアンビルセル超高圧発生装置を用いた単結晶育成での特筆すべき成果として，例えば二窒化クロムという新しい多窒化物を発見するとともに，世界で初めて遷移金属二窒化物の単結晶育成に成功したことが挙げられる．この成果は，遷移金属多窒化物の結晶構造や物性について単結晶を用いて評価・解析する道を開拓した意味で，同物質群の物質科学のみならず金属窒化物の無機化学や結晶成長学において極めて重要な進展であるといえる．一方，マルチアンビル大型プレス高圧発生装置を用いた単結晶育成の特筆すべき成果として，例えば新しい結晶構造を有する非常に高い体積弾性率を示す超硬質のタングステン窒化物の単結晶やナノサイズのワイヤー状の形態を有するタンタル（酸）窒化物のウィスカー結晶の育成に世界で初めて成功した．また，多成分系の酸窒化物についても展開し，水分解光触媒に関係するマンガンータンタル酸窒化物系の新しいヘテロ構造体を高圧下で合成することに成功しており，このヘテロ構造体の電位－光電流特性を明らかにしている．これらの成果は，国内外の関連会議や学術論文として発表され，学術上の意義は高い．さらに，これらの成果は，上述のような遷移金属窒化物の基礎物質科学の進展に大きく貢献するのみならず，これらを材料として適用した材料工学，ナノテクノロジーやエレクトロニクス，さらには環境工学へ応用できる可能性もあり工業的な意義も高い．以上より，当該年度の研究は当初の計画以上に研究が進展しているといえる.
|
| Strategy for Future Research Activity |
前年度までと同様に，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，結晶育成・評価・解析の観点から系統的かつ包括的に研究を進める．結晶育成に関しては，ダイアモンドアンビルセルに加えて，超高圧領域において大型の良質単結晶の育成に用いる新しい大容量試料用の２段式マルチアンビル大型プレス高圧発生合成結晶育成装置の開発に成功し順調に稼働しているため，これを十分に使いこなして，様々な窒化物を対象に研究を推進する．具体的には，遷移金属多窒化物に加えて，これらの物質群の構造物性の理解をより深めるために，多成分系金属窒化物や典型金属窒化物に加えて，酸窒化物やリン化物などの関連物質も研究対象として研究を展開する．対象物質次第で技術的な問題が発生した場合は，超高圧領域の研究などで顕著な業績があり，すでに共同研究の実績がある国内外の研究者に技術的な支援をしてもらい問題を克服する．さらに，これまでも実際に綿密に連絡を取り合っているマルチアンビル大型プレスを製作している企業と今後も連絡をとり，あらゆる技術的ノウハウを駆使して問題を克服する．遷移金属多窒化物の試料を系統的に次々と合成・結晶育成する．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および相安定性と結晶構造を解析する．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． TEM 高分解能観察とTEM-EELS測定等を行い，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，win2kなどの第一原理電子構造計算プログラム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，構造物性を包括的に解明し理解する．
|
-
-
-
-
-
[Journal Article] Infrared Spectroscopy on Electronic Structures of Platinum-group Metal Pernitrides MN2 (M = Ru, Rh, Ir, and Pt)2019
Author(s)
K. Soda, M. Komabuchi, K. Maeguchi, M. Kato, T. Terabe, K. Niwa, M. Hasegawa, Y. Ikemoto, H. Okamura
-
Journal Title
Physica B: Physics of Condensed Matter
Volume: 558
Pages: 54-58
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Journal Article] Valence-Band Electronic Structures of High-Pressure-Phase-PdF2-type Platinum-Group-Metal Dioxides MO2 (M = Ru, Rh, Ir, Pt)2018
Author(s)
K. Soda, D. Kobayashi, T. Mizui, M. Kato, Y. Shirako, K. Niwa, M. Hasegawa, M. Akaogi, H. Kojitani, E. Ikenaga, T. Muro
-
Journal Title
Journal of the Physical Society of Japan
Volume: 87
Pages: 044701/1-5
Peer Reviewed
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
