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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Exploration of polar metal materials by first-principles calculations

Research Project

Project/Area Number 17K19172
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

赤松 寛文  九州大学, 工学研究院, 准教授 (10776537)

Project Period (FY) 2017-06-30 – 2019-03-31
Keywordsポーラーメタル / 層状ペロブスカイト / 第一原理計算 / セラミックス
Outline of Annual Research Achievements

ガウスの法則によると、導体の内部においては伝導キャリアによる遮蔽のため電界は存在しない。それによって、電気双極子モーメントの形成やその長距離的秩序が阻害され、中心対称性を破る構造歪みが起こりにくくなる。つまり、電気的極性を示す(ポーラーな)点群に属する原子構造と金属的な電子構造を併せもつポーラーメタルは必然的に希少になる。実際にこれまでにまだ30種類程度しか報告されていない。このポーラーな構造と金属的電気伝導性を併せ持つ物質内部および表面の静電的状態は、極めて想像しがたいものであり非常に興味深い。本研究では、理論計算と実験的手法を結合させることにより、ポーラーメタルを探索することを目的とした。
ポーラーメタルの設計において最も重要な点は、物質内の伝導キャリアにより阻害されない、強固な構造歪みにより中心対称性を破るということである。ペロブスカイト型酸化物の実に90%以上で見られる構造歪みである酸素配位八面体回転は、その一つと考えられる。そこで、層状ペロブスカイトCa3Ti2O7の電子ドープ体のポーラーメタル特性の有無を第一原理計算により検証した。中心対称性構造と極性構造の全エネルギー差の電子ドープ量依存性を密度汎関数法に基づいて計算したところ、電子ドープ量が高くなるにつれ、極性構造が中心対称性構造と比較してより安定になることがわかった。また、Ca3Ti2O7粉末試料を固相反応法により合成し、CaH2と混合、真空封入した後加熱することにより、H-イオンドーピングを施した。放射光XRD測定により、結晶構造はポーラーな空間群Cma21に属することが明らかになった。電気抵抗の温度依存性を調べたところ、半導体的な電子伝導性を示すことがわかった。ポーラーメタル化するにはキャリア濃度の増加が必要であるが、本研究ではポーラーメタルの設計指針に関する大きな知見を得ることに成功したと言える。

  • Research Products

    (14 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Pennsylvania State University/Northwestern University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Pennsylvania State University/Northwestern University
  • [Int'l Joint Research] ISIS Pulsed Neutron and Muon Source(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      ISIS Pulsed Neutron and Muon Source
  • [Int'l Joint Research] Univ Rennes(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      Univ Rennes
  • [Journal Article] Polar metallic behavior of strained antiperovskites ACNi3(A=Mg,Zn,and Cd) from first principles2018

    • Author(s)
      Mochizuki Yasuhide、Kumagai Yu、Akamatsu Hirofumi、Oba Fumiyasu
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 2 Pages: 125004-1-10

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.2.125004

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Strain-engineered Peierls instability in layered perovskite La3Ni2O7 from first principles2018

    • Author(s)
      Mochizuki Yasuhide、Akamatsu Hirofumi、Kumagai Yu、Oba Fumiyasu
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 2 Pages: 125001-1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.2.125001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hybrid Improper Ferroelectricity in (Sr,Ca)3Sn2O7 and Beyond: Universal Relationship between Ferroelectric Transition Temperature and Tolerance Factor in n = 2 Ruddlesden?Popper Phases2018

    • Author(s)
      Yoshida Suguru、Akamatsu Hirofumi、Tsuji Ryosuke、Hernandez Olivier、Padmanabhan Haricharan、Sen Gupta Arnab、Gibbs Alexandra S.、Mibu Ko、Murai Shunsuke、Rondinelli James M.、Gopalan Venkatraman、Tanaka Katsuhisa、Fujita Koji
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 140 Pages: 15690~15700

    • DOI

      10.1021/jacs.8b07998

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Discovering minimum energy pathways via distortion symmetry groups2018

    • Author(s)
      Munro Jason M.、Akamatsu Hirofumi、Padmanabhan Haricharan、Liu Vincent S.、Shi Yin、Chen Long-Qing、VanLeeuwen Brian K.、Dabo Ismaila、Gopalan Venkatraman
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 98 Pages: 085107-1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.98.085107

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Ferroelectric Sr3Zr2O7: Competition between Hybrid Improper Ferroelectric and Antiferroelectric Mechanisms2018

    • Author(s)
      Yoshida Suguru、Fujita Koji、Akamatsu Hirofumi、Hernandez Olivier、Sen Gupta Arnab、Brown Forrest G.、Padmanabhan Haricharan、Gibbs Alexandra S.、Kuge Toshihiro、Tsuji Ryosuke、Murai Shunsuke、Rondinelli James M.、Gopalan Venkatraman、Tanaka Katsuhisa
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 28 Pages: 1801856~1801856

    • DOI

      10.1002/adfm.201801856

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 層状ペロブスカイト Ca3Ti2O7への水素化物イオンドーピング2019

    • Author(s)
      岸本 和久, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
    • Organizer
      セラミックス協会2019年年会
  • [Presentation] Computational and experimental study of functional structural distortions in layered perovskite oxides2018

    • Author(s)
      Hirofumi Akamatsu
    • Organizer
      18th International Conference and Exhibition on Materials Science and Engineering
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dion-Jacobson型層状ペロブスカイト(Rb, Cs)NdNb2O7の構造と誘電特性2018

    • Author(s)
      麻木 宗太, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
    • Organizer
      セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
  • [Presentation] 第一原理計算による新規層状ペロブスカイト酸窒化物強誘電体の探索2018

    • Author(s)
      白井 佑弥, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
    • Organizer
      セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
  • [Presentation] Exploration of novel ferroelectric layered perovskite oxides by first-principles calculations2018

    • Author(s)
      Yuya Shirai, Hirofumi Akamatsu, George Hasegawa, Katsuro Hayashi
    • Organizer
      5th SCI workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 密度汎関数理論によるルドルスデン-ポッパー層状酸化物強誘電体の探索2018

    • Author(s)
      白井 佑弥, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
    • Organizer
      第28回日本MRS年次大会

URL: 

Published: 2019-12-27  

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