2018 Fiscal Year Research-status Report
Syntheses of Quantum Spin-Orbital Liquid Compounds by Advanced Hydrothermal Method and Study of the Magnetic Properties
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18K03515
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
原 茂生 神戸大学, 研究基盤センター, 特命技術員 (60520012)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 結晶育成 / 装置開発 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度(平成30年度)の目標として、Cuサイトがハニカム格子を形成しCuO6八面体がヤーン・テラー効果を示す、Ba3CuSb2O9で観測される量子スピン軌道液体状態の起源解明の為、申請者が提案する光水熱合成法を用いて、Ba3CuSb2O9の周辺物質の探索・合成を掲げた。特に、初年度は光水熱合成炉の装置開発を主目的とした。
通常の水熱合成反応容器は外周部品とテフロン制の内部容器に別れており、外周部品と内部のテフロンセルの蓋を押さえる緩衝板にはステンレス鋼が用いられている為、光(電磁波)を通さない。そこでステンレス製反応容器の蓋に光導波路を設ける必要がある。また、緩衝板は十数MPaで内部から押し上げられる為、十分な強度と光(電磁波)透過性と200℃程度の耐熱性が求められる。この3つの要件を同時に満たす材料として、アルミナ(Al2O3)を選定した。申請者の所属する大学の部局では圧力セルを用いてESR測定を行う研究者が在籍しており、Al2O3は圧力下ESR測定でGHz帯域の光の透過性と、数GPaの耐圧性は十分確保されている材料である。また、本研究で使用する温度は200℃程度であり、Al2O3の融点を十分に下回っている。Al2O3の大きさはステンレス製緩衝板に合わせ、直径50mm、厚さ5mmの円板を使用した。改良を行った蓋部分(光導波路+ Al2O3円板)で、結晶育成に用いる光の透過光強度の減衰率を測定し、30～160GHzでほぼ95%以上の透過率である事から、使用に問題無い事を確認した。
本研究による単結晶育成法の開発は、良質でミリサイズの単結晶育成を可能にすると期待され、微小な単結晶を配向する際の誤配向や、不純物の混入を防ぐ等、真の物性を観測するために大幅な改善が得られると考えられる。
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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
初年度の進捗状況に於いて、ほぼ予定通りの成果を出せたものと信ずる。光(電磁波)を用いた水熱合成法の合成炉装置開発として、光(電磁波)透過性の無いステンレス鋼で作成された反応容器の蓋に光導波路を設ける改良と、テフロンセルの蓋を押さえるステンレス製緩衝板と同等の耐熱、耐圧性能を持ちかつに光透過性を持たせた代用品を組み込む事を平成30年度の研究目的として掲げた。
光を合成炉内に導くための光導波路の大きさは、直径6mmの導波路を使用した。周波数と波長の関係から50GHz以上の光の入射が可能となるサイズである。実際に合成に用いる標準的な光は100GHz前後を予定しており、光導波路とアルミナ(Al2O3)緩衝板を組み合わせて、周波数60GHzで行った合成炉のテストでは、耐熱性、耐圧性、光透過率とも結晶育成条件(200℃、10MPa)を十分満足する結果を示した。よって、本申請課題中、光水熱合成炉の装置開発において、合成炉の加工・改良とテストは基本的に終了したと考えられる。
但し、単結晶育成に用いる光は30～160GHz(二逓倍器を使用して260GHz)までを予定しており、30GHzの場合、光導波路の径を10mmまで拡張する必要がある。径の拡張を行った際にAl2O3緩衝板の耐圧性に関して万が一を考慮し、光の透過性が若干(1割未満)落ちるがAl2O3にジルコニア(ZrO2)を10%添加した、高耐圧材料も選定済みである(平成31年度購入予定)。また、光水熱合成法を用いた新規物質の合成については次年度以降に取り組む予定である事から、おおむね順調とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の進捗状況に於いて、おおむね順調に進展しているものと考えられる。この為、次年度以降の推進方策は、特に大幅な変更等無く、基本的に申請書に記述した方針に則った研究活動を実践する予定である。
次年度以降は初年度に開発を行った、光水熱合成炉で良質な単結晶育成が可能な事を示す。本研究では、量子スピン液体状態を示すモデル物質であるBa3CuSb2O9の特徴を備えた、周辺物質の合成を目指す。量子スピン液体状態はハニカム格子を形成するCuイオンがCuO6八面体を持ち、CuO6が短時間で局所的にヤーン・テラー効果(歪)の生成と消滅を繰り返している動的な状態とされている。また、ハニカム格子が歪んだ場合、スピン軌道秩序状態になると報告されている事から、ハニカム格子(構造的特性)とヤーン・テラー効果(スピン-軌道の相関)に注目し、ハニカム格子の直径及び連続性、ヤーン・テラー効果の強弱に違いを持たせた新規物質の合成を行う。
構造的特徴としてハニカム格子に注目した場合、ハニカム格子以外に、ハニカム格子に三角格子を組み込んだ構造を持つ物質Cu5(VO4)2(OH)4やRbMn3Ge2O9等が合成の候補になり、ハニカム格子の直径や層間距離を決めるVO4やRbの置換を行う。スピン-軌道間の相互作用に注目した場合、酸素八面体構造でヤーン・テラー効果を高い確率で起こす高スピン状態のMn3+、Cu2+やAg2+等、逆に低い確率で起こす高スピン状態のV3+、Co2+やMo2+等があり、Na3Cu2SbO6やK2Mn3CO3(VO4)2のハニカム格子上で遷移金属サイト(Cu2+やMn2+)の置換を行う。
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| Causes of Carryover |
理由：初年度の計画で計上した予算の内、専用の水熱合成用反応炉は本研究を遂行するに際し、他の研究との混同を避けるために必要な機器であり、計画通りに予算を割り当てた。その他、試薬やアルミナ板についても本計画を遂行する為に必要となる物品であり、予算の使用については妥当であると考えられる。但し、研究実施状況から、次年度に繰越金を割り当てた。本計画では結晶育成条件の最適化が必要であり、貴金属反応管は不純物の混入を避けるためにも必要不可欠である。貴金属は加工賃等加味した場合、一括での多量購入が望ましく、貴金属相場を鑑み2019年度分の予算と合わせて早い段階での購入を検討している。
使用計画：次年度の計画では、新規物質の発見及び結晶育成条件の最適化が目標の１つに含まれており、不純物の混入を防ぐ為、貴金属反応管は必要不可欠である。また、育成条件の改良による、ジルコニアを添加したアルミナ板の購入を予定している。その他、実験備品や消耗品等、また研究成果の報告を行うため、学会等での発表を予定しており、旅費として予算の使用を計画している。
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Research Products
(1 results)
