2019 Fiscal Year Annual Research Report
Si単元素クラスレート単結晶の実現に向けた新規結晶育成手法の創出
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18H01887
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
森戸 春彦 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (80463800)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 暁彦 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (20451635)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | クラスレート / 単結晶 / 種結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シリコン（Si）クラスレートとは、Si 原子がカゴ状に結合した物質で、次世代の機能性材料として応用が期待されている。従来、本物質はNa原子を内包したSiクラスレート（Na-Siクラスレート）からNaを引き抜くことで作製されていた。しかし、前駆体であるNa-Siクラスレートの結晶育成手法が確立されておらず、また、Si単元素クラスレートのバルク結晶を作製する技術も未開発のままであった。そこで本研究では、Na-SiおよびSi単元素クラスレートの新しい結晶育成技術を確立することを目的とした。
Na-Siクラスレートの新たな結晶成長技術として、本研究グループでは金属フラックスを用いた手法を開発している。この手法で得られたNa-Siクラスレート基板をもとに、Si単元素クラスレートの新しい結晶成長技術を開発することを検討している。
初年度の研究結果より、初期原料中におけるSnフラックスの割合が、得られる結晶の形態や品質に大きく影響を及ぼすことが明らかになったため、本年度は、Snフラックスの割合を制御して結晶作製を行うことで、結晶性の高い単結晶を得ることができた。また、その得られた単結晶を種結晶として用いることで、結晶の大型化にも成功した。本成果は、Na-Siクラスレートのエピタキシャル成長の可能性を示すものであり、本結晶育成プロセスの重要な指針となる。
また、ゲスト元素として、バリウム（Ba）やストロンチウム（Sr）を含んだクラスレートの単結晶育成も成功し、本結晶育成手法の汎用性を示すことができた。
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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、Si単元素クラスレートの前駆体となるNa-Siクラスレート単結晶の大型化を目的としていた。当初の予定通り、得られた単結晶を種結晶として用いることで、Na-Siクラスレート結晶の大型化に成功した。本研究成果は、今後のエピタキシャル結晶育成につながることから、本研究はおおむね順調に進展していると思われる。
また、新規クラスレートの探索にも取り組んでいたが、バリウム（Ba）やストロンチウム（Sr）を含んだ新規クラスレートの合成にも成功している。本研究成果により、本手法の汎用性を示すことができ、今後の新規クラスレート探索の重要な指針となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
Na-Siクラスレートの種結晶成長が実現できたため、横浜国立大学の伊藤暁彦准教授と共同で、Na-SiおよびSi単元素クラスレートのエピタキシャル成長に取り組む。具体的には、種結晶法やチョクラルスキー法によって作製したNa-Siクラスレートの大型単結晶を種結晶基板として利用し、その結晶基板の特定の結晶面上に気相法によって結晶をエピタキシャル成長させる。所定の条件下で結晶を育成することで、本手法における結晶成長メカニズムを明らかにする。
また、昨年度に引き続き、金属フラックス法において高品質な結晶が得られる条件を探索していく。Na-Siクラスレートの結晶成長をより効率的に進めるために、GaやAlなどの低融点金属フラックスも検討する。
本手法の汎用性を示すために、多元素クラスレートの結晶成長にも積極的に挑戦する。
得られた研究成果は、学術論文や学会発表にて公表していく。
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Research Products
(6 results)
