negative muon spin spectroscopy for ion diffusion measurements

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K21149
• Research Institution: Comprehensive Research Organization for Science and Society
• Principal Investigator: 杉山 純 一般財団法人総合科学研究機構, 中性子科学センター, 特任研究員 (40374087)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Keywords: 負ミュオンスピン回転緩和 / 固体内物質移動 / イオン拡散 / 電池

Outline of Annual Research Achievements

電池等の機能発現に重要な「固体内のイオンの拡散運動」をミュオン素粒子を用いて調べる研究である。特に正のミュオン素粒子と負のミュオン素粒子の両者を使い、その性質の相違を活用して、試料中で拡散するのがミュオンではなくイオンであることを確認しながら、イオンの拡散係数を測定する。各種電池材料の測定から、イオンの拡散を律する要因を抽出し、より良い電池材料の開発につなげる。
以下の電池材料、Li[Ni0.5Mn1.5]O4とLi4Ti5O12(共にスピネル構造)とLiMnPO4(オリビン構造)について、正と負のμSRにより、室温以上での拡散種がLi+イオンであることを確認した。またLi金属のμ-SRを広い温度範囲で測定した結果、ミュオニックLi（Li核に捕獲されたμ-）からのμ-SR信号は時間依存しないバックグラウンドとして扱えることが明らかとなった。これによりμ-SRスペクトルの解析は極めて容易となった。また同一試料を正と負のμSRで測定する「μ+-SR」を世界で初めて実施し、この手法を確立した。また電池材料のみならず、超伝導材料中の内部磁場測定にもμ+-SRが有用であることを示した。
μ-SRによる拡散種同定と平行して、動作状態の電池内での拡散測定を行うと言う野心的な「オペランド測定」にも挑戦した。その結果、LiCoO2とLi金属電池、Na0.7CoO2とNa金属電池において、充放電による自己拡散係数の変化を明らかにした。本測定手法は全固体電池にも適用できるので、今後更に利用が拡がると予想している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] TRIUMF/Univ. of British Columbia(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: TRIUMF/Univ. of British Columbia
• [Int'l Joint Research] KTH/Uppsala Univ./Univ. of Stockholm(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: KTH/Uppsala Univ./Univ. of Stockholm
• [Int'l Joint Research] PSI/Univ. of Zurich/Univ. of Geneva(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: PSI/Univ. of Zurich/Univ. of Geneva
• [Int'l Joint Research] ISIS(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: ISIS
• [Int'l Joint Research] Babes-Bolyai Univ.(ルーマニア)
  • Country Name: ROMANIA
  • Counterpart Institution: Babes-Bolyai Univ.
• [Journal Article] Photophysical Ion Dynamics in Hybrid Perovskite MAPbX3 (X=Br, Cl) Single Crystals (2024)
  • Author(s): Papadopoulos Konstantinos、Forslund Ola Kenji、Cottrell Stephen、Yokoyama Koji、Nayak Pabitra K.、Noa Francoise M. Amombo、Ohrstrom Lars、Nocerino Elisabetta、B?rjesson Lars、Sugiyama Jun、Mansson Martin、Sassa Yasmine
  • Journal Title: Advanced Physics Research Volume: 3 Pages: 2300120-1-8
  • DOI: 10.1002/apxr.202300120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Na-ion dynamics in the solid solution NaxCa1-xCr2O4 studied by muon spin rotation and neutron diffraction (2024)
  • Author(s): Nocerino Elisabetta、Forslund Ola Kenji、Sakurai Hiroya、Matsubara Nami、Zubayer Anton、Mazza Federico、Cottrell Stephen、Koda Akihiro、Watanabe Isao、Hoshikawa Akinori、Saito Takashi、Sugiyama Jun、Sassa Yasmine、Mansson Martin
  • Journal Title: Sustainable Energy & Fuels Volume: 8 Pages: 1424～1437
  • DOI: 10.1039/D3SE01097J
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic phase diagram of Eu1-xCaxCo2P2 determined using muon spin rotation and rotation (2024)
  • Author(s): I. Umegaki, K. Moriyama, K. Yoshinaga, K. Ohishi, F. Elson, U. Miniotaite, R. Palm, M. Mansson, O. K. Forslund, S. Sugiyama, G. D Morris, B. Hitti, C. Michioka, H. Ueda, K. Yoshimura, and J. Sugiyama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 109 Pages: 004400-1-14
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.0o.004400
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unusually large magnetic moment and tricritical behavior of the CMR compound NaCr₂O₄ revealed with high resolution neutron diffraction and μ+ SR (2023)
  • Author(s): Nocerino Elisabetta、Forslund Ola Kenji、Sakurai Hiroya、Hoshikawa Akinori、Matsubara Nami、Andreica Daniel、Zubayer Anton、Mazza Federico、Saito Takashi、Sugiyama Jun、Umegaki Izumi、Sassa Yasmine、Mansson Martin
  • Journal Title: Journal of Physics: Materials Volume: 6 Pages: 035009～035009
  • DOI: 10.1088/2515-7639/acdf21
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ion Dynamics in P2-NaxCoO2 Detected with Operando Muon Spin Rotation and Relaxation (2023)
  • Author(s): Ohishi Kazuki、Igarashi Daisuke、Tatara Ryoichi、Umegaki Izumi、Nakamura Jumpei G.、Koda Akihiro、Mansson Martin、Komaba Shinichi、Sugiyama Jun
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 6 Pages: 8111～8119
  • DOI: 10.1021/acsaem.3c01197
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Competition between magnetic interactions and structural instabilities leading to itinerant frustration in the triangular lattice antiferromagnet LiCrSe2 (2023)
  • Author(s): Nocerino Elisabetta、Kobayashi Shintaro、Witteveen Catherine、Forslund Ola K.、Matsubara Nami、Tang Chiu、Matsukawa Takeshi、Hoshikawa Akinori、Koda Akihiro、Yoshimura Kazuyoshi、Umegaki Izumi、Sassa Yasmine、von Rohr Fabian O.、Pomjakushin Vladimir、Brewer Jess H.、Sugiyama Jun、Mansson Martin
  • Journal Title: Communications Materials Volume: 4 Pages: 81-1-14
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00407-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ３次元ハニカム構造を有するβ-ZnIrO3のμSR (2024)
  • Author(s): 杉山 純, 大石一城, 梅垣いづみ, 原口祐哉, 香取浩子, Rasmus Palm, Yuqing Ge, Frank Elson, Martin Mansson, Ola K. Forslund, Daniel Andreica, Bassam Hitti, Gerald D. Morris, Thomas J. Hicken, Janas Krieger, Christopher Baines, Hubertus Luetkens
  • Organizer: 日本物理学会, 第 78 回年年次大会
• [Presentation] Magnetic Phase Diagram of Ca1-xEuxCo2P2 clarified with μ+SR (2023)
  • Author(s): J. Sugiyama, K. Ohishi, I. Umegaki, K. Moriyama, K. Yoshinaga, C. Michioka, H. Ueda, O. K. Forslund, Y. Sassa, F. Elson, U. Miniotaite, R. Palm, Mansson, G. D. Morris, K. Yoshi
  • Organizer: MRM2023/IUMRS-ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of hyperfine interaction in polymer by negative muon (2023)
  • Author(s): S. Takeshita，D. Tomono，T. Kiyotani，I. Umegaki, K. Shimomura, A. Koda, S. Nishimura, J. Nakmura, J. Sugiyama, M. Hiraishi, H. Okabe, R. Ka
  • Organizer: International Conference on Hyperfine Interactions and their Applications (HYPERFINE2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] P2-NaxCoO2とO3-NaxCoO2の動的挙動の相違 (2023)
  • Author(s): 杉山 純, 大石一城, 五十嵐大輔, 多々良涼一, 梅垣いづみ, 中村淳平, 幸田章宏, Rasmus Palm, Martin Mansson, 駒場慎一
  • Organizer: 日本物理学会, 第 78 回年年次大会
• [Presentation] 高分子における負ミュオンの超微細相互作用の測定 (2023)
  • Author(s): 竹下聡史, 友野 大, 清谷多美子, 梅垣いづみ, 下村浩一郎, 幸田章宏, 西村昇一郎, 中村惇平, 杉山 純, 平石雅俊, 岡部博孝, 門野良典
  • Organizer: 日本物理学会, 第 78 回年年次大会
• [Presentation] 充放電過程におけるSANS実験用電池セルの開発 (2023)
  • Author(s): 大石一城, 河村幸彦, 森川利明, 杉山 純, 廣井孝介, 五十嵐大輔, 多々良涼一, 駒場慎一
  • Organizer: 日本中性子科学会, 第23回年会
• [Remarks] Research Gate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Jun-Sugiyama