2020 Fiscal Year Annual Research Report
超高圧合成法と量子ビームによる材料評価を活用した新奇酸窒化物の創成
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18H03836
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
西山 宣正 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特定准教授 (10452682)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
周 游 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (40357231)
日向 秀樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (40415732)
尾崎 典雅 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (70432515)
川村 史朗 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (80448092)
境 毅 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (90451616)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | シノアイト / 酸窒化物 / ナノナノ多結晶体 / 焼結体 / 高圧 / 硬さ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、１万気圧から1000万気圧までの広い圧力範囲での超高圧合成法と、シンクロトロン放射光やX線自由電子レーザーなどの量子ビームをフル活用した材料評価を組み合わせて、これまでにない新奇な酸窒化物の合成とその物性を理解することである。
2020年度は、昨年度までに合成に成功したSi2N2O組成のシノアイトを出発物質とした立方晶窒化ケイ素（γ-Si3N4）+スティショバイト（st-SiO2）のナノナノ多結晶体・大型試料合成に取り組んだ。これまで直径２ｍｍ、厚み１ｍｍ程度の焼結体試料しか得ることしかできなかったが、試料大容量化の取り組みの結果、直径５ｍｍ、厚み５ｍｍの焼結体試料を得ることに成功した。この試料を活用し、これまで明らかにしてきた硬さに加えて、今後は破壊靭性の精密決定や曲げ強度、引張強度測定を行う予定である。
さらに、この大型試料合成技術を活用して、立方晶窒化ケイ素ー立方晶窒化ゲルマニウム固溶体（γ-(Si,Ge)3N4）の合成に取り組んでる。この物質は高圧下でスピネル型構造をとり、Si3N4とGe3N4の間で全率固溶を示すことが知られている。この窒化物を直接遷移を示すハイドギャップ半導体でSiとGeの比率を調整することでそのバンドギャップを連続的に変化させることができると理論的に予言されている。この試料を用いて、その理論予測の実験的検証に取り組む予定である。
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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
おおむね順調に進展している。とくに、研究分担者を含めた外部との共同研究が順調に進捗している。一般的に窒化物は出発物質となる試薬を手に入れることが困難である。通常の合成法では酸素のコンタミを防ぐことが困難で酸素が混入し、しかもその量を制御すること難しい。研究分担者で産総研の研究者や、試薬メーカーの技術者の協力を得て、酸素量を正確に制御した酸窒化物（Si2N2O）と酸素の不純物量がきわめて少ないゲルマニウム窒化物（Ge3N4）を入手することに成功し、これらを使用した高圧下での物質合成に取り組むことができた。国際共同研究に関しては、コロナ禍の影響でお互いに行き来しての共同研究や意見交換はまったく行えなかったが、とくにドイツの研究者とは月に2-3回程度の定期的なミーティングを繰り返し行うことによって、共同研究の密度を下げることなく実施することができているので、おおむね順調に進捗していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である2021年度は、これまでの研究で合成に成功した新規酸窒化物、窒化物の大型多結晶体を使って、曲げ強度、引張強度を含めた力学特性の精密測定や、熱的性質やバンドギャップ測定に取り組む。さらに、ベルト型装置も活用した直径１インチ級の大型試料合成に取り組む。このような大型試料合成の技術を確立することは、これらの新規物質を産業利用する上で不可欠な技術である。また、これまでに得られた研究成果をアウトプットすることに重点を置く。国内、国際を問わず学会はリモートで開催され、他の研究者と直接やり取りをする機会が制限される中、論文公表、特許出願、それらのプレスしリリースを積極的に行い、研究成果を広く知ってもらえるよう努力するとともに、リモートを活用した国際的な意見交換を行っていく予定である。
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[Journal Article] Elasticity of nanocrystalline kyanite at high pressure and temperature from ultrasonic and synchrotron X-ray techniques2021
Author(s)
Nico A. Gaida, Steeve Greaux, Yoshio Kono, Hiroaki Ohfuji, Hideharu Kuwahara, Norimasa Nishiyama, Oliver Beermann, Takuya Sasaki, Ken Niwa, Masashi Hasegawa
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Journal Title
Journal of American Ceramics Society
Volume: 104
Pages: 635, 644
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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