2019 Fiscal Year Research-status Report
X線ラマン散乱を用いたCaCu3Ti4O12の誘電異常と電子構造の相関の研究
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18K03477
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
手塚 泰久 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (20236970)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 誘電異常 / 電子構造 / X線ラマン散乱 / 共鳴X線非弾性散乱 / X線発光 / 蛍光X線ホログラフィー / 高圧実験 / Aサイト秩序ペロブスカイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Aサイト秩序ペロブスカイトであるCaCu3Ti4O12（CCTO）は、室温を含む広い温度範囲で極めて大きな誘電率を示す一方で、約100K付近で構造変化を伴わずに誘電率が急減するという誘電異常を示す。研究2年目である本年度は、初年度に続き、高エ研PFにおいて軟Ｘ線及び硬Ｘ線ラマン散乱と蛍光X線ホログラフィー実験を行った。硬X線ラマン散乱では、非占有Cu 3d及びTi 3d、軟X線ラマン散乱では占有O 2p状態の電子構造の研究を行った。共に温度依存性の測定を行い、Cu 3d及びTi 3d状態は低温で増加し、O 2p状態は減少する結果が得られた。特にCu 3d状態は、100K近傍で急増しており、誘電異常に対する電子構造の影響を示唆している。Ti 3d状態は、低温での増大が観測されているが、100K付近での異常はみられていない。これは、散乱強度が弱いことに加えて、Ti-O結合方向が結晶軸に対して複数方向に分裂しているためであると考えられる。O 2p状態も減少傾向はとらえられているが、特異点は特定できていない。これは、得られた実験時間が少ないことと、実験装置の不調によるところが大きい。蛍光X線ホログラフィー実験では、室温と誘電異常温度以下の80Kで測定を行ったが、低温ではTiサイトがX線回折から求められる長距離秩序位置に局在している結果が得られた一方で、室温では複数位置に散在する結果が得られている。実験とは別にホログラフィーのシミュレーションを行ったところ、Tiサイトを8つの[111]方向に配置した場合に実験パターンを再現できた。Tiが室温で複数サイト間を移動していて低温で固定されているとすれば、室温での巨大誘電率及び低温での誘電率急減を説明可能である。この場合、誘電異常を担っているのはTiイオンであり、Cu 3d状態の状態変化は協調現象もしくは前兆現象であると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本研究の主目的はCCTOにおける電子構造の異方性及びその温度依存性を測定することである。硬X線ラマン散乱の分光器に試料回転機構を取り付け、電子構造の詳細な方位角依存性を測定すること、さらにはその詳細な温度依存性をできるだけ低温まで行うことが目標である。現有の分光装置ではHe循環式の冷凍機が使用可能であるが、真空内であることもあって単純に回転機構を取り付けることは難しい。予算的な制限の中で機構設計及び機種選定に時間がかかり、初年度は作製まで至らなかった。2年目には機種選定を完了したが、メーカーの都合により納期が大幅に遅れ、納入は年度終わりの3月になってしまった。今後、早急に装置の立ち上げを行い、実験を実現したいと考えている。これまでにも、予備実験として限定した方位角での測定は既に進めており、装置作成前にも可能な範囲で同様の実験は進めていきたいと考えている。また、軟X線ラマン散乱や蛍光X線ホログラフィー実験も進めていく予定であり、多方面からの実験によってCCTOの誘電異常の本質を明らかにしていきたいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
硬X線ラマン散乱測定装置に真空外から駆動可能な回転機構を取り付ける。既存の冷凍機に取り付けとことで約30K程度まで冷却可能であると思われる。ただ、回転機構での熱伝導問題や取り付けスペースの制限問題などが残されており、それらを一つずつ解決していくつもりである。
当初、5～6月に実験開始の予定であったが、コロナウイルスの影響で実験がキャンセルになってしまった。現在は、秋以降に実施することを目指している。
電子構造の方位角依存実験以外にも、SPring-8での高分解能軟X線ラマン散乱実験を申請する予定であり、採択された場合には、O 2p電子構造の高分解能実験及び反強磁性転移以下の温度で、マグノン等の素励起の測定を目指す。また、蛍光X線ホログラフィー実験でも反強磁性転移温度前後での測定を計画しており、X線ラマン散乱実験の結果との相関を研究していく予定である。
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| Causes of Carryover |
試料回転機構の納入が年度末になったため、周辺部品の設計製作が年度内に終了できなかった。早急に整備を進め、次回実験に間に合うように準備する予定である。
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