2015 Fiscal Year Annual Research Report
核分光法による酸化亜鉛中の不純物が誘起する伝導性と希薄磁性の探索
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26286075
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
佐藤 渉 金沢大学, 物質化学系, 准教授 (90333319)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大久保 嘉高 京都大学, 原子炉実験所, 教授 (70201374)
上野 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 主任研究員 (50281118)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 酸化亜鉛 / 摂動角相関 / メスバウアー分光 / 不純物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２７年度までの研究において、ZnO中に放射性プローブ核（In-111）を導入し、摂動角相関法（PAC）によってプローブ位置の超微細場を測定した結果、不純物としてドープする非放射性In原子が形成する局所構造は、ドープ量（濃度）に依存して変化することが明らかとなった。ppt ~ ppbのトレーサーレベルではInがZn位置を置換した状態で均一に分散するが、Inの濃度が0.05%を超えるとZnIn2O4スピネルのナノ構造体が形成され、これがマトリックス中に広く分散していると結論した。即ち、本研究で採用する固相反応におけるInの固溶限界濃度を明らかにした。さらに10%程の高濃度では、主としてIn2O3に類似した構造体が形成されることを示唆する結果が得られた。この観測結果は、ZnO中の不純物の存在状態をドープ量によって制御できる可能性を示している。得られた結果を学会で発表し、報文としてまとめた。
また、酸化亜鉛の希薄磁性発現に関する研究も、研究計画に従って同時に進めた。CoとMnをZnOにドープし、粉末X線回折パターンからCoとMnの固溶を確認した後、それらの試料に放射性プローブであるCo-57を添加して発光メスバウアー分光測定を行った。PAC測定の場合と同様に、Co-57のみドープした試料では、プローブが固溶してZnサイトを置換したことを示唆する成分のみがスペクトル中に観測されたが、非放射性のCoとMnを5%ずつ添加すると、スペクトルには上述の置換サイト以外に新たな副成分が出現した。また、スペクトルは低温程共鳴吸収ピークの広がりを示すなどの興味深い温度依存性が観測された。磁気分裂を仮定した解析でこの副成分を帰属することは可能であるが、相転移による別の四極分裂成分の出現の可能性も排除できないため、希薄磁性発現の有無に関する結論には至っていない。この顕著な温度依存性については、国際会議で発表し、内外の研究者の意見を伺うことができた。
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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
課題申請時に計画した１３族元素をドープしたZnOの局所構造の解明のうち、Inについてほぼ計画通りに摂動角相関法によって局所場を測定し、その微視的構造を明らかにすることができた。また、不純物が創出するZnOの希薄磁性の探索についても、CoとMnを共ドープしたZnO試料の合成に成功し、当初の計画通りにメスバウアー分光測定まで行うことができている点において、両研究共に順調に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究において、酸化亜鉛中でInが0.05%程度で固溶限界に達し、この濃度を超えると不純物Inのナノ構造体が形成することが明らかとなった。よって平成２８年度は、ZnOの機能性材料としての実用化を念頭において、不純物Inの存在状態がバルクの物性に及ぼす影響を調べる。具体的方策としては、精密にInのドープ量を制御して合成したZn(In)Oの伝導性とPACスペクトルの後遺効果との相関に着目して研究を進める。PACの後遺効果はプローブ位置での伝導電子密度を反映する現象であることが知られているので、伝導電子の振る舞いを巨視的および微視的な視点で観測することを目指して実験を行う。また、他の１３族元素（Al、Ga）が形成する局所構造についてもIn-111ならびにCd-111mをプローブとする摂動角相関法で調べ、Inの場合と比較対照する。
ZnOの希薄磁性の探索においては、プローブ位置での超微細場の不純物（Co, Mn）濃度依存性ならびに温度依存性を精査する。また、Co-57の導入と同じ操作で熱処理を施した試料について磁化測定を行い、バルクでの磁化発現の可能性を追究する。
以上の研究で得られた成果をまとめ、学会ならびに論文で発表する。
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| Causes of Carryover |
データ取り込み用の新しい計測装置の導入を検討するため、デモ機を業者から借用してγ線の計測を試みたところ、ゲートシグナルを同期させて測定するモードにおいて不具合が見つかった。製造業者と検討した結果、当該システムが本研究での計測の要求を満たしていないことが判明したので、購入を見合わせた。平成28年度は別のメーカーの計測システムの購入を検討することとし、予算を繰り越した。また、昨年度と同様に実験を計画していた研究用原子炉の復旧が大幅に遅れていることから、出張実験用に計上していた旅費を執行できなかった。これらのことが次年度使用経費が生じた主な理由として挙げられる。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
データ取り込み用システムの購入ならびにフッ化バリウムシンチレーターの更新に繰り越し金を充当する予定である。
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[Presentation] Local fields in Co and Mn co-doped ZnO2015
Author(s)
W. Sato, Y. Kano, T. Suzuki, and M. Nakagawa
Organizer
International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect
Place of Presentation
University of Hamburg (Germany)
Year and Date
2015-09-13 – 2015-09-18
Int'l Joint Research
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