2020 Fiscal Year Research-status Report
ホウ素次元性ネットワーク構造をもつ希土類－金属－ホウ化物の局所結晶構造と相安定性
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19K05643
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
湯葢 邦夫 九州大学, 工学研究院, 学術研究員 (00302208)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 単結晶育成 / 結晶構造解析 / 相安定性 / 局所構造 / 電子回折トモグラフィー / 4D-STEM 観察 / 触媒特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ホウ素次元性ネットワーク構造をもつ希土類－金属（主に遷移金属）－ホウ化物に現れる多様な構造変調に着目し，その局所結晶構造から，特徴的なホウ素次元性ネットワーク構造をもつ希土類－金属－ホウ化物の相安定性を決定する要因を解明することが目的である．
Cu3Au 型－アンチペロブスカイト型構造を持つ非化学量論性 RERh3Bx 化合物（RE: 希土類元素）において，ScRh3B0.6 化合物では，1/2 1/2 1/2 型規則格子反射に加えて，{111}* 方向にシャープな散漫散乱が現れる．その三次元可視化に成功し，1次元的な強度分布を示した．暗視野像および原子分解能像から，{111} 面上の2次元的な逆位相ドメイン構造が，散漫散乱の形成の要因になっていることを明らかにした．ScRh3B0.75 化合物は，1/2 1/2 1/2, 1/3 1/3 1/3 および1/4 1/4 1/4 型規則格子反射に対応した超格子ドメイン構造を持つ．4D-STEM 観察で取得した四次元 data から再構成した暗視野 STEM 像を示した．それぞれの超格子構造を持つドメインが，それぞれ数 100 nm 程度の特徴的なモルフォオロジーをもつ事を明らかにした．
水素終端したボロン単層（ボロファン）が，トポロジカルなディラック・ノーダルコーンを示すことを理論的に予測した．今後の2次元物質への応用にも期待出来る．
ホウ化物は，機械的特性が優れており，高融点且つ高温安定性を示すため，高温用材料として期待される．特に，多ホウ化物は，高温域での優れた熱電性能が期待され，様々な研究が行われてきた．反応放電プラズマ焼結による新規合成法の開発し，その合成法を用いた高密度を有する n 型多ホウ化物焼結体の高速作製に成功した．
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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
希土類元素を中心とした特徴的なホウ素次元性ネットワーク構造をもつ金属－ホウ化物の局所結晶構造と非化学量論性の相関についての考察をもとに，金属－ホウ化物の相安定性の挙動について理解を深めている．
局所構造解析では，球面収差補正走査透過型電子顕微鏡 (STEM) 観察から，原子配列と元素分布状態を同時に測定し，原子配列の局所的なゆらぎ（変調構造や構造不整）を直接観察に成功している．同時所得する ABF (環状明視野)- と HAADF (高角環状暗視野)-STEM像のコントラストの比較と分光 (EDS および EELS) 分析の併用から，軽元素（ホウ素）から重元素（希土類）までの識別に成功している．実空間での観察結果と逆空間で得られる異常な回折強度分布情報（超格子反射，衛星反射，散漫散乱など）を相補的に活用して，特徴的な局所結晶構造を明らかにしつつある．
加えて，ピクセル型検出器を利用した4D-STEM 観察で取得した四次元 data から再構成した電子回折パターンおよび暗視野 STEM 像から，ナノ構造の精密解析を行い，その有効性を実証した．
申請時には予想していなかった展開として，ナノ金属ホウ化物で見出された水分解のための触媒特性に代表されるような新規物性の獲得にも注力している．
希土類－金属－ホウ化物研究の更なる展開に向けて，国内外（国内4機関：海外3機関）の研究者との共同研究を強力に推進しており，興味深い成果が得られている．
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| Strategy for Future Research Activity |
得られた化合物の相安定性および結合強度を評価するにあたり，ビッカース硬さに加えて，熱重量分析(TGA)法で調査する大気中における酸化開始温度を評価指標の一つとして考察を進める．
試料の連続傾斜回折パターンを取得し，再構成する手法である電子回折トモグラフィ解析の確立を一層進める．この手法は，逆空間情報を三次元的に可視化・解析が可能である．フラックス育成法で得られた単結晶X線回折構造解析が難しいnm スケールの極小単結晶の回折強度の三次元可視化を行う．さらに，得られた三次元逆空間情報から，回折強度を抽出して，それに基づいた定量結晶構造解析を目指す．
実空間における局所構造解析として，原子分解能HAADF-STEM像に対して，「原子変位解析」を行い，ホウ化物における「原子配列のゆらぎ」について知見を得る．EDSおよびEELS分光法を用いた原子分解能元素マッピングと併用することで，原子配列レベルでの非化学量論性に関する考察を進める．
2020年度の研究成果である従来の方法に比べて極めて簡便なホウ化物の合成方法の開発について，一層の展開研究にも取り組む予定である．
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| Causes of Carryover |
当初予定していた国際会議および国内学会が延期もしくは会場での開催中止となったため，計上していた旅費を使用することが出来なかった．また，利用を予定していた共用機器についても，利用中止の措置が取られたため，予定通りには使用出来なかった．
次年度は，共用機器の利用制限については，大幅に緩和されるとの連絡を受けているので実施する計画である．
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[Journal Article] Topological Dirac nodal loops in nonsymmorphic hydrogenated monolayer boron2020
Author(s)
N.T. Cuong, I. Tateishi, M. Cameau, M. Niibe, N. Umezawa, B. Slater, K. Yubuta, T. Kondo, M. Ogata, S. Okada, I. Matsuda,
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 101
Pages: 195412-1-11
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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