2017 Fiscal Year Annual Research Report
強相関電子材料のドメイン界面におけるハイブリッド配位環境を利用した機能性制御
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17H03393
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
堀部 陽一 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80360048)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 和磨 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60525236)
田中 啓文 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 教授 (90373191)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子顕微鏡 / 強相関電子系 / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「強相関層状マンガン酸化物(Ca,R)2MnO4 (R：希土類元素)において、構造ドメイン界面での特異な局所構造とそれに関係した局所物性について解明するとともに、新奇物性現象の開拓を行う」ことである。初年度は、層状マンガン酸化物Ca2MnO4 のCaサイトに一部Smを置換したCa2-xSmxMnO4 の試料作製を行い、熱処理を施すことにより本系において様々な構造ドメインを導入し、得られた構造ドメインの特徴について顕微鏡学的手法および回折学的手法を併用して調べることを目的とした。具体的には層状マンガン酸化物Ca2-xSmxMnO4 においてSm濃度をx = 0.0 ~ 0.4 まで変化させたセラミックス試料を作製し、それらに出現する各種の構造ドメインの種類および配列について主に透過型電子顕微鏡を用いた電子回折法および明・暗視野法により調べると共に、同じ試料において測定された粉末X線回折曲線から精密構造解析を行い、得られた結晶構造データを元に各構造ドメインにおける特徴について検討を行った。その結果、Ca2-xSmxMnO4 のx = 0.0 ~ 0.2試料中において、c軸方向に沿った酸素八面体回転の回転パターンの乱れに関係した反位相ドメインが存在し、異なる回転方向を持つ反位相ドメインの割合がSm置換量xと共に変化することを見出した。特にx=0.1および0.2試料においては、反位相ドメイン界面が非常に高密度で存在することが明らかとなった。これらの結果から、強相関層状マンガン酸化物Ca2-xSmxMnO4 において、低Sm置換量の領域では酸素八面体回転に関係した反位相ドメインが導入され、その形態は本系における単位格子の格子パラメータにより敏感に変化するが示唆された。
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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
本年度は、層状マンガン酸化物Ca2MnO4 のCaサイトに一部Smを置換した強相関層状マンガン酸化物Ca2-xSmxMnO4を取り上げ、セラミックス試料の作製および各種の構造ドメインの導入を試みると共に、顕微鏡学的手法および回折学的手法を併用することにより得られた構造ドメインの特徴について明らかにすることを目的とした。本目的達成のため、結晶構造中に存在するMnO6酸素八面体の様々な回転・傾斜形式に関係した構造相転移に伴って現れる構造ドメイン導入を目指し、Sm濃度をx = 0.0 ~ 0.4 まで変化させたセラミックス試料を通常の固相反応法を用いて作製した。得られたセラミックス試料について、熱処理を施すことにより構造相転移に伴う構造ドメインの導入を試みた。Sm組成を変化させたセラミックス試料におけるナノ構造変化の透過型電子顕微鏡観察から、c軸方向に沿った酸素八面体回転の回転パターンの乱れに関係した反位相ドメインの存在と、Sm組成の増加に伴う反位相ドメインの密度の変化について明らかにすることが出来た。特にx=0.1および0.2試料においては、細かい反位相ドメインが非常に高密度で存在し、その界面としての反位相境界が多数存在することが見出された。これらの結果から、強相関層状マンガン酸化物Ca2-xSmxMnO4 において、低Sm置換量の領域では酸素八面体回転に関係した反位相ドメインが導入され、その形態は本系における単位格子の格子パラメータにより敏感に変化することが示唆された。すなわち、本研究目的に関係した構造ドメインの導入が達成されたと共に、得られた構造ドメインの特徴の解明が進んでいると考えられ、本研究はおおむね順調に進行していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究から、c軸方向に沿った酸素八面体回転の回転パターンの乱れに関係した反位相ドメインの存在および、これらの反位相ドメインの特徴が明らかになり、またSm置換量変化による構造ドメイン形態制御の可能性が示唆された。この結果を元に、来年度の研究では、本年度の研究において見出された反位相ドメイン界面における特異な局所構造の解明と、局所構造に関係した電子状態の理論計算および諸物性の直接測定を試みる予定である。また、本年度に引き続き、置換化学種や化学的置換量の調整・熱処理条件の最適化により、双晶ドメインなどの別種の構造ドメインの導入とそれらの特徴解明を試みることを目標とする。そのため、まずSm置換量を制御し適切な密度の反位相ドメインを有する試料の作製を行い、透過型電子顕微鏡を用いた電子回折法および明・暗視野法による実空間・逆空間の同時観察により反位相ドメイン界面におけるイオン変位について明らかにする。同時に平均的結晶構造について評価を行うため、粉末X線回折測定を元にした精密構造解析を行う。同時に先端的電子顕微鏡技術を用いた、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡法による観察や、ソフトウェアを用いた高分解能像の波面再構築により、界面近傍におけるイオン変位の直接観察を試みる。これらの結果の比較から、反位相ドメイン界面近傍における局所構造について明らかにするとともに、その結果を利用して第一原理計算を用いたドメイン界面における電子状態の理論計算を行い局所構造に関係した諸物性について予測を行う。
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Research Products
(2 results)
