2021 Fiscal Year Annual Research Report
量子ビームの相補利用によるスズ系ペロブスカイトの欠陥構造の解明
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20H02848
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
飯久保 智 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (40414594)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石丸 学 九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (00264086)
樹神 克明 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (10313115)
松下 正史 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (90432799)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 有機無機ペロブスカイト / XAFS / TEM / 中性子回折 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者は、九州工業大学から九州大学へ異動することとなったため、まず本申請に関わる研究設備の整備を行なった。必要な実験装置類（グローブボックス、XRD、電気炉など）の立ち上げと電子状態計算に用いる大型の並列計算機の移設、必要なソフトウェア（VASPなど）の移設を行った。そのうえで、第一原理計算および分子動力学、X線吸収微細構造（XAFS）による異なる方法を組み合わせることで、ペロブスカイトのスズの欠陥について調査した。
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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
初年度にSn-PVK合成法の検討を行い、XRDやSEMを用いた試料評価により結晶性の良いSn-PVKの作成方法を確立した。２年目に研究代表者は異動することとなったため、本申請に関わる研究設備の整備を行なった。その後以下の第一原理計算とXAFSを用いてSn-PVKの欠陥構造について調査を行った。
第一原理計算を用いて、MASnX3(X=Cl、Br、I)のエネルギーの計算および、2×2×2のスーパーセルにおいてSn原子ひとつを空孔とした構造で欠陥生成エネルギーを計算した。MASnCl3、MASnBr3、MASnI3の順に安定性が高く、MASnCl3、MASnBr3、MASnI3の順に欠陥が生成されにくいという結果になった。また第一原理分子動力学による、表面の安定性に関する調査を開始した。ここでは原子の挙動の時間変化をシミュレーションし、構造が変化する様子の可視化を試みている。分子動力学においては、さまざまな条件下で計算を行うことで、本研究の目的を達成できると考えられる。ペロブスカイト中のSnとOとの反応について分子動力学による計算を試み、より詳細な欠陥調査を行う。
XAFSの吸収端近傍領域であるXANESの理論計算を行った。XANESは吸収原子の価数変化に敏感であり、一般に価数が大きいほど吸収端は高エネルギー側に位置する。今回の結果では、MASnCl3、MASnBr3、MASnI3の順に吸収端が高エネルギー側にシフトしていた。今後XAFSの実験結果との比較を行う予定である。第一原理計算およびXAFSの理論計算について、それぞれ欠陥調査につながる結果が得られることが期待できる。XAFSについては理論値と実験値の比較、検討を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
３年目は、実験から得られた問題点などの修正を施しながら、欠陥構造の精密化を行う。当初予定のPDF解析、XAFS解析、TEM測定に本格的に着手する。放射光X線・中性子回折によるPDFが数μmにわたる広い相関長の局所構造を明らかにすることができるのに対し、XAFSによって得られるPDFは最近接の短距離相関に高い精度を有する。本申請課題では、XAFS測定に経験を有する愛媛大松下教授にご協力いただき、その測定とデータ解析を分担していただく。また、放射光X線・中性子回折によるPDFが~μmオーダーの平均値として得られることに対し、電子線を用いることで~μm以下の限られた領域におけるPDFを得ることが可能である。本申請課題では九州工業大学でTEMを所有している石丸教授にその測定を分担していただく。また原子力機構の樹神グループリーダーとともに、初年度に中性子回折データから得たPDF解析を進めて、追加の実験などの研究計画を検討する。
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