Development of white neutron holography and its application to doped functional materials

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K05116
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 大山 研司 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (60241569)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 八方 直久 広島市立大学, 情報科学研究科, 准教授 (30285431)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 中性子散乱 / ホログラフィー / ドープ系機能性材料 / 半導体 / 局所構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、代表者らが世界に先駆けて実用化に成功した白色中性子ホログラフィーをさらに高度化し、半導体など、異種元素ドープが重要な物質において、そのドープ効果を構造の視点から解明することを目的としている。本計画の３年間において、半導体材料BドープSi、熱電材料BドープMg2Si、LED材料BドープSiC、強相関電子系SmドープRB6（R: Yb, La）において、ドーパント周りの局所構造の可視化に成功した。BドープSiではBはSiと置換する事が広く知られているが、実験的証拠はこれまでになく、本計画ではじめて実験的に証明した。その結果は論文に発表した[Ohoyama et al. Phys. Status Solidi B 255 (2018) 1800143.]。また、2019年度の顕著な成果としてMg2Siの研究があげられる。Mg2Siでは、Bを0.75%ドープすることで熱電特性が向上することが知られており、Bの役割が重要となるが、Bの位置が不明であった。原子間位置にはいるとの第１原理計算では予想はあったが、本研究によってBはMgと置換することを直接証明した。この結果は論文に発表した[Hayashi et al. AIP Advances 10, (2020) 035115.]。強相関電子系SmドープRB6（R: Yb, La）において、Smドープが格子に与える影響、とくにSmを囲むBカゴへの影響を直接可視化することに成功し、Smドープが第１近接 Bにのみ歪みを与えることを定量的に示した。この結果は2020年4月に論文投稿を行った。本研究の一連の成果は外部からも注目され、本計画期間中に3回の招待講演、KeyNote講演を行った。また、日本中性子科学、欧州結晶学会国際会議などで、学生の優秀発表賞受賞が4回あり、これも世界的にも評価されていることを示している。

Research Products

• [Journal Article] Preparation, thermoelectric properties, and crystal structure of boron-doped Mg2Si single crystals (2020)
  • Author(s): Kei Hayashi, Wataru Saito, Kazuya Sugimoto, Kenji Ohoyama, Kouichi Hayashi, Naohisa Happo, Masahide Harada, Kenichi Oikawa, Yasuhiro Inamura, and Yuzuru Miyazaki
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 10 Pages: 035115(1)-(7)
  • DOI: 10.1063/1.5143839
  • Peer Reviewed
• [Presentation] CHALLENGE OF DETERMINATION OF HYDROGEN POSITIONS IN HYDRIDES BY WHITE NEUTRON HOLOGRAPHY (2020)
  • Author(s): K. Ohoyama, Y. Kanazawa, T. Yamamoto, S. Uechi, K. Sugimoto, S. Arase, S. Noda, T. Ishizaki, K. Hayashi, N. Happo, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, T. Sato, S. Orimo
  • Organizer: 1st Int. Symposium "Hydrogenomics" combined with 14th Int. Symposium "Hydrogen & Energy"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] STUDY OF HYDROGEN POSITION IN HYDRIDES USING WHITE NEUTRON HOLOGRAPHY (2020)
  • Author(s): T. Yamamoto, S. Uechi, Y. Kanazawa, K. Sugimoto, K. Ohoyama, S. Arase, T. Isizaki, S. Noda, K. Hayashi, N. Happo, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, T. Sato, S. Orimo
  • Organizer: 1st Int. Symposium "Hydrogenomics" combined with 14th Int. Symposium "Hydrogen & Energy"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DEVELOPMENT OF POWDER NEUTRON HOLOGRAPHY FOR INVESTIGATION OF HYDRIDES (2020)
  • Author(s): Yuki Kanazawa, Kenji Ohoyama, Masahide Harada, Kenichi Oikawa, Kouichi Hayashi
  • Organizer: 1st Int. Symposium "Hydrogenomics" combined with 14th Int. Symposium "Hydrogen & Energy"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 希土類化合物の構造研究のための白色中性子ホログラフィー装置の高精度化 (2020)
  • Author(s): 野田新太, 荒瀬将太朗, 石﨑嵩人, 上地昇一, 原田正英, 林好一, 大山研司
  • Organizer: 日本物理学会第７５回年会
• [Presentation] 希土類六ホウ化物TmB6における格子不安定性解明のための(Tm,Yb)B6の単結晶育成 (2020)
  • Author(s): 荒瀬将太朗, 石﨑嵩人, 野田新太, 松浦航, 伊賀文俊, 大山研司
  • Organizer: 日本物理学会第７５回年会
• [Presentation] Novel Usages of Neutrons; White Neutron Holography in J-PARC (2019)
  • Author(s): Kenji OHOYAMA
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019 (MRM2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Novel Usages of Neutrons; White Neutron Holography in J-PARC (2019)
  • Author(s): KenjiO hoyama
  • Organizer: 14th International Conference on the Structure of Non-Crystalline Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Present Status and Future Plans of White Neutron Holography in J-PARC (2019)
  • Author(s): K. Ohoyama1, Y. Fukumoto1, S. Uechi1, Y. Kanazawa1, K. Sugimoto1, T. Yamamoto1, K. Hayashi2, N. Happo3, M. Harada4, K. Oikawa4, Y. Inamura
  • Organizer: Symposium on 3D Active-site Science in London,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Determination of dopant position of thermalelectric material B-doped Mg2Si by white neutron holography (2019)
  • Author(s): Kazuya Sugimoto, Syouichi Uechi, Yuki Kanazawa, Yohei Fukumoto, Takayoshi Yamamoto, Kenji Ohoyama, Kouichi Hayashi, Naohisa Happo4, Masahide Harada, Kenichi Oikawa, Yasuhiro Inamura, Kei Hayashi, Wataru Saitou, Yuzuru Miyazaki
  • Organizer: The 17th Japan-Korea Meeting on Neutron Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local structure observation of Sm doped LaB6 by white neutron atomic resolution holography (2019)
  • Author(s): S. Uechi, Y. Kanazawa, Y. Fukumoto, B. Paulus, K. Ohoyama, N. Happo, K. Hayashi, K. Kimura, S. Hosokawa, T. Hada, M. Harada5, K. Oikawa, Y. Inamura, W. Matsuura1, F. Iga
  • Organizer: The 17th Japan-Korea Meeting on Neutron Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Local structure investigations of B doped Si by neutron atomic-resolution holography (2019)
  • Author(s): Y. Kanazawa, Y. Fukumoto, S. Uechi, K. Ohoyama, M. Lederer, N. Happo, K. Hayashi, K. Kimura, S. Hosokawa, T. Hada, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, K. Tsutsui
  • Organizer: The 17th Japan-Korea Meeting on Neutron Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Progress of white neutron atomic resolution holography - Expansion of target elements and theory - (2019)
  • Author(s): S. Uechi, Y. Kanazawa, Y. Fukumoto, T. Yamamoto, K. Sugimoto, K. Ohoyama, N. Happo, K. Hayashi, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, W. Matsuhra, F. Iga
  • Organizer: Symposium on 3D Active-site Science in London
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Boron concentration dependence of atomic fluctuation in B doped Si by neutron atomic resolution holography (2019)
  • Author(s): Y. Kanazawa, Y. Fukumoto, S. Uechi, K. Ohoyama, K. Hayashi, N. Happo, H. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, K. Tsutsui
  • Organizer: Symposium on 3D Active-site Science in London
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Determination of dopant position of thermoelectric material B-doped Mg2Si by white neutron holography (2019)
  • Author(s): K. Sugimoto, S. Uechi, Y. Kanazawa, Y. Fukumoto, T. Yamamoto, K. Ohoyama, K. Hayashi, N. Happo, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, K. Hayashi, W. Saito, Y. Miyazaki
  • Organizer: Material Research Meeting 2019 (MRM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Doping effect in Sm doped RB6(R: La,Yb) by white neutron holography (2019)
  • Author(s): S. Uechi, Y. Kanazawa, K. Sugimoto, T. Yamamoto, Y. Fukumoto, K. Ohoyama, N. Happo, K. Hayashi, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, W. Matsuhra, F. Iga
  • Organizer: Material Research Meeting 2019 (MRM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 材料科学での中性子の新しい使い方：白色中性子ホログラフィー (2019)
  • Author(s): 大山研司
  • Organizer: 日本応用物理学会 第８０回 秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 白色中性子ホログラフィーによる希土類化合物での原子構造へのドープ効果の観測 (2019)
  • Author(s): 大山研司、上地昇一、金澤雄輝、福本陽平、杉本和哉、山本隆文、八方直久、林 好一、原田正英、及川健一、稲村泰弘、松浦 航、伊賀文俊
  • Organizer: 日本物理学会 第７４回年会
• [Presentation] J-PARC白色中性子ビームによる軽元素局所構造の観測 (2019)
  • Author(s): 大山研司
  • Organizer: 32回日本放射光学会年会．放射光科学合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 白色中性子ホログラフィーによる熱電材料BドープMg2Siの研究 (2019)
  • Author(s): 杉本;和哉，上地;昇一，金澤;雄輝，福本;陽平，山本;隆文，大山 研司，林 好一，八方直久，原田正英，及川健一，稲村康弘，林 慶，齋藤亘，宮崎讓
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Remarks] 中性子構造物性研究室
  • URL: http://neutron.appl-beam.ibaraki.ac.jp/