2021 Fiscal Year Annual Research Report
不規則性が加速する固体内高速イオン伝導機構の解明と革新的材料創製への展開
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20H02430
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
臼杵 毅 山形大学, 理学部, 教授 (70250909)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾原 幸治 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (00625486)
安仁屋 勝 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (30221724)
笠松 秀輔 山形大学, 理学部, 助教 (60639160)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | イオン伝導性ガラス / 固体イオニクス / 量子ビーム / X線異常散乱 / 構造不規則性 / 大規模量子計算 / イオン伝導経路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、室温で高イオン伝導性を有するガラス等の不規則構造材料を対象として、量子ビームを最大限に活用した元素選択精密構造解析実験と大規模量子計算シミュレーションを駆使することにより、ガラスマトリックス構造及びイオン拡散経路の構築過程を原子・電子レベルで完全に可視化することを目指している。2021年度は、(1)対象試料に対するガラス化進行過程におけるイオン伝導性および熱物性変化の精密物性測定、(2)元素選択X線異常散乱実験データを用いた不規則構造解析、(3)大規模量子計算シミュレーションに着手した。(1)では、昨年度に引き続きメカニカルミリングによる研究対象材料の作製、及び得られた試料の精密電気伝導度測定、イオン伝導・電子伝導の分離測定を進めつつ、示差走査熱量計において温度変調測定装置を導入し、ガラス転移点等の微弱な熱量変化を精密に測定できる実験環境を整え、イオン伝導度が顕著に変化する現象に伴う熱物性測定を実施した。(2)では、SPring-8のBL13XUビームラインにおいて得られた可動イオンのX線異常散乱実験データの解析を進め、さらに逆モンテカルロ法による精密三次元構造の導出に着手した。さらに、これらと並行して(3)では、対象ガラス系に対する第一原理分子動力学計算に着手し可動イオンの拡散に関する動的情報の導出に着手した。いずれにおいても、ガラス化に伴う高イオン伝導性の発現とそれに伴うイオン伝導発現に直結する重要な基礎知見が得られつつある。これと同時に、不規則性とイオン輸送に関する結合ゆらぎモデルの拡張理論の検討を開始し、精密構造情報と伝導性を関連づける理論の構築に着手した。これらの結果は、国内外の学会等で発表を行っている。
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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
本研究を推進する上で要となるイオン伝導度測定、ガラス転移点等の精密熱物性測定が順調に進んでいる。メカニカルミリング法により不規則性の度合いを制御し、輸送特性の興味深いミリング時間依存性を詳細に確認した。同時に、ガラス転移や結晶化温度等の変化についても精密に観測できている。さらに、X線異常散乱実験等の各種量子ビーム実験データを用いた精密三次元構造モデリングが順調に進み、ガラスネットワーク構造の中に構築されるイオン伝導パスに関する重要な不規則構造の特徴が得られつつある。加えて、大規模量子計算の開始により、可動イオンの結合環境情報や、イオン拡散に関する可動イオンの動的構造情報の抽出において重要な進展があった。これと並行して、これらの実験結果を支持する理論的考察も順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、これまでに引き続き輸送特性の精密評価を進めながら、研究対象系に対する精密構造解析研究をさらに深化させる。メカニカルミリングにより伝導性を制御した試料に対するX線異常散乱実験データの解析に着手する。さらに、それらの精密構造データを用いた三次元構造モデリングおよび大規模第一原理分子動力学計算を実施し、不規則性の導入に伴う可動イオンの結合環境やイオン伝導経路および可動イオンの動的構造変化について精査する。これと並行して、不規則性の度合いとイオン輸送に関する結合ゆらぎ理論の最適化を推し進める。これらにより、イオン伝導性の向上に最も寄与する不規則構造情報を特定し、不規則性を制御することによる革新的イオン伝導材料の創製に必要な重要な基礎知見を取りまとめる。得られた結果をまとめ、学会発表や論文発表を行う。
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