2014 Fiscal Year Annual Research Report
単結合窒素と重遷移金属から成る窒化物のメガバール領域相安定性と電子構造の解明
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25289219
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長谷川 正 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20218457)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
丹羽 健 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40509030)
曽田 一雄 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70154705)
亀卦川 卓美 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (70195220)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 遷移金属窒化物 / 超高圧合成 / 単結合窒素 / ダイアモンドアン ビルセル / 超臨界窒素流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単結合窒素と重遷移金属(4d,5d 遷移金属)から成る遷移金属窒化物は，近年ダイアモンドアンビルセル超高圧発生装置と赤外レーザー加熱を組み合わせた超高圧合成によって見出されつつある新しい物質群であり，将来薄膜化することにより電子材料や超硬材料としても期待されている．しかしながら，合成技術上の制約から未だ系統的な実験研究はなく，相安定性や電子構造の理解は進んでいない．２６年度では，従来のレーザー加熱型超高圧合成システムとは根本的に異なり，メガバールという超高圧領域においても，系統的な合成実験とその場測定が可能なオリジナルなシステム：「LASER-DACシステム」の改良・確立に成功した．これよって，遷移金属窒化物，特に重遷移金属から成る遷移金属窒化物の新物質を創製することに成功した．また，温度・圧力に対する新物質群の安定性・相関係を決定した．さらに，TEM-EELSや放射光を用いたXRDやXPSさらにはラマン分光などの最先端分析手法によって，これらの金属窒化物内の結合状態・結晶構造・電子構造・力学物性の系統性を明らかにした．加えて，第１原理計算による理論からも結合状態や電子構造を考察し，実験結果に解釈を与えた．これらの実験・理論の両面からの結果より，単結合窒素重遷移金属窒物の相安定性機構と物性の解明が進んだ．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の最も重要な目的は２つである．１つ目は，研究対象物質である遷移金属窒化物，特に，単結合窒素と重遷移金属から成る遷移金属窒化物の新物質を創製することである．２つ目は，これらの物質群の結合状態・結晶構造・電子構造の系統性を実験と理論の両面から明らかにし，単結合窒素重遷移金属窒物(4d,5d 遷移金属窒化物)の相安定性機構を解明することである．本年度では，１つ目の目的である新物質を創製するために，従来の合成システムとは根本的に異なりメガバールという超高圧領域においても系統的な合成実験が可能なシステムとその場測定が可能なオリジナルなシステム：「LASER-DACシステム」の改良・確立に成功した．これは当初の計画通りの成果である．次に，この独自のシステムを用いて，当初の重要な目的の１つである単結合窒素と重遷移金属(4d,5d 遷移金属)から成る新規な遷移金属窒化物の創製に成功した．また，これら新規物質の結合状態・結晶構造・電子構造・力学物性の系統性を，当初の目的とおり精密に明らかにし，第２の重要な最終目的の達成に大きく前進した．さらに，これらの成果をもとに，重遷移金属窒物である4d,5d 遷移金属窒化物のみならず，3d遷移金属窒化物にも同様の手法を適用したところ，新物質の創製に成功しつつあり，当初の計画以上に研究が進展し，２７年度の研究の進展がおおいに期待される．
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| Strategy for Future Research Activity |
２６年度の成果と問題を整理し，最終目的を達成するために，合成・評価・解析・考察をこれまでと同様に推進する．各担当分野の担当者が常に有機的に連携して，実験研究に理論計算解析研究を加えて，系統的かつ包括的に研究を進める．合成に関しては，２６年度までに手法をほぼ確立したため，これを用いて，次から次へと遷移金属窒化物の合成を試みて，新物質の創製を目指す．ただし，もしも，技術的な壁にぶつかった場合は，固体窒素単体のメガバール領域の研究などで顕著な業績があり，代表者らと現在すでに共同研究を進めているドイツのグループに技術的なサポートを要請して問題を克服する．さらに，実際にDAC を製作してもらう会社と綿密に連絡をとり，あらゆるノウハウを駆使して問題を克服する．合成時に，高圧高温その場ラマン測定を行い，相変化や結合の変化を調査する．また，超高圧下での相安定性と結晶構造を解析する．放射光施設を利用したXPS・UPS等の 測定実験を行い，常圧回収試料の結合状態（特に窒素間結合）と電子構造を解析する．この際，Spring8,KEK,分子研，あいちシンクロトロンなどの放射光施設を利用する．常圧回収試料のTEM 高分解能観察とTEM-EELS 測定を行い，精密結晶構造解析と結合状態解析を行う．解析した結晶構造を基に，第一原理電子構造計算プログラムを用いて電子構造と結合状態を解析し，各実験結果と比較・検討する．
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| Causes of Carryover |
上述のように，今年度では当初の計画とおり，本研究の最も重要な目的の１つ目である単結合窒素と重遷移金属(4d,5d 遷移金属)から成る新規な遷移金属窒化物の創製に成功した．また，これら新規物質の結合状態・結晶構造・電子構造・力学物性の系統性を精密に解明した．このように今年度は当初の研究目的を比較的スムースにほぼ達成することができたため，使用予算を抑えることができた．これらの成果に加えて年度後半において，重遷移金属窒化物である4d,5d 遷移金属窒化物のみならず3d遷移金属窒化物の新物質の創製に成功しつつあったため，最終年度では当初の計画以上に研究が進展できると判断し，その実験費用を見越して次年度に予算を繰り越すこととした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上述のように，重遷移金属窒化物のみならず3d遷移金属窒化物の新物質の創製と安定性および電子構造と物性に関する系統的な研究を格段に発展することが可能となったため，次年度に計画以上の物質群を含む多くの合成実験とそれに伴う評価・測定実験を推進する．これらの実験研究のために，繰り越し予算を充当する．具体的には，合成に関しては，次から次へと遷移金属窒化物の合成する．合成時には，高圧高温その場ラマン測定を行い，相変化や結合の変化を調査する．また，超高圧下での相安定性と結晶構造を解析するとともに，XPS・UPS等の測定実験と電子構造解析，TEM 高分解能観察とTEM-EELS 測定を行う．これらの合成・測定実験には多くの実験消耗品が必要となる．
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