2019 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 |
次年度(平成31～令和元年度)の目標として、申請者が提案する光水熱合成法を用いて、量子スピン軌道液体状態を示すBa3CuSb2O9の周辺物質の探索と合成を掲げた。Ba3CuSb2O9は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。このヤーン・テラー効果が、短時間で局所的に生成と消滅を繰り返すことで、量子スピン軌道液体状態が発現するとされている。特に次年度では、初年度に作成した光水熱合成装置の性能テストを兼ね、光を照射した場合と、照射しない場合の物質合成を行った。また、前年度から引き続き、装置開発を継続して行った。
当初の計画では光水熱合成法で用いる合成炉は、恒温槽又はマッフル炉内で加熱する予定であった。光導波路には途中にミラーを配置したL字の真鍮(銅・亜鉛合金)パイプを使用している。光導波管の一端を恒温槽上部の排気口より挿入し、合成炉に接続させた。もう一端はGunn発振器への熱的影響が無いように、恒温槽の上部から離れた位置まで導波管を延伸して配置させた。初年度に組み立てた光水熱合成炉は計画書の通りのサイズであるが、光導波路が長いほど光の減衰率が大きく、本研究の目標達成には不利益となる。この為、次年度に光水熱合成炉全体のサイズに対し見直しを行い、小型光水熱合成炉の作成を行った。
この小型光水熱合成炉のテストを兼ねて、合成条件が確立されている、セレン酸化物の単結晶育成を行った。光を照射しながら結晶育成を行った場合と、照射しない場合で、結晶の成長に差が出ると考えられる結果が得られた。
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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
次年度の進捗状況に於いて、ほぼ想定通りの結果が出ているものと考える。初年度は光(電磁波)を導入する水熱合成法の合成炉用装置開発を行った。この光水熱合成炉のテストを兼ねて、既存物質の単結晶育成を行い、その成否を判断する事を平成31(令和元)年度の研究目的とした。
初年度に装置開発を終了としたが、光の減衰率を考慮し、加熱炉の見直しを行った。まず、合成炉を加熱する恒温槽を、ビーカー用マントルヒーターに置き換え、同時にフラスコ用マントルヒーターの蓋を用いた。これにより、加熱空間(体積)を72L(恒温槽)から1L(マントルヒーター)まで大幅に減少させる事が可能となり、L字の真鍮製光導波管の両端を各20cm程度短縮し、全長55㎝程度に抑える事ができた。また、30GHzの光(電磁波)を使用した場合、光導波管の直径は10mm必要である事から、光導波路に用いた真鍮管は内径10.8mmの物を用いた。
小型化した光水熱合成炉を用いて、CoSeO3・2H2OとCoの一部をアルカリ土類金属(Ca, Sr, Ba)で置換したセレン酸化物の単結晶育成を行った。この母物質であるCoSeO3・2H2Oは約100℃で合成可能であり、単結晶も育成可能である。しかし、育成される結晶の形状は規則的ではあるが、全ての結晶で相似形では無い。今回、100GHzのGunn発振器を用いて、光を照射しながら結晶を育成した場合、高い確率で、ほぼ全ての結晶に於いて相似形に成長する結果を得た。但し、再現性を保証するには、複数の条件を用いて確度を高める必要が有ると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次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。
最終年度は初～次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。次年度に行ったセレン酸化物の単結晶育成の例から、詳細を詰める必要が有るが、配向試料の単結晶育成が可能であると考えられる。本研究の目標は、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事である。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：次年度で計上した予算の内、Gunn発振器用の直流安定化電源や可変抵抗器は、本研究を遂行するに際し専用の装置とするため、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、貴金属反応管の一部は初年度繰り越し予算分を用いて次年度(平成31年度)初旬に購入した。また、次年度分の貴金属反応管は既に発注しており、納品を待っている状態であり、予算の使用については妥当であると考えられる。但し、加熱炉の見直しを行った為、当初計上したマッフル炉では無くマントルヒーターを購入した。その際、一部設計に修正が必要であり、アルミナ板の再購入を行った。また、年度末に開催予定だった国際会議等のキャンセル等、研究実施状況から次年度に繰越金を割り当てた。
使用計画：最終年度の計画では、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。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いるが、既に延期を公表された会議等も有り、旅費として予算の使用を計画している分について、消耗品に充当する等、再検討を行う予定である。
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