2016 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
| Project/Area Number |
26286075
|
|---|
| Research Institution | Kanazawa University |
|---|
Principal Investigator |
佐藤 渉 金沢大学, 物質化学系, 准教授 (90333319)
|
|---|
| 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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 酸化亜鉛 / 摂動角相関 / メスバウアー分光 / 不純物 / 希薄磁性 / 局所構造 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までの研究において、Alを不純物としてドープしたZnO中に放射性プローブ核（In-111）を導入して摂動角相関測定した結果、不純物のAlはマトリックスのZnと局所的な会合によりスピネル型の構造体を形成することが明らかとなった。しかし、この構造体は真空中での熱処理によって分解され、プローブのIn-111は熱拡散によってZnの格子点を新たに占有する現象が観測された。この現象は、非放射性のInを極微量（0.05 at.%以下）ドープした試料についても観測されることが今回新たに分かった。即ち、不純物InはZnO中での熱拡散の過程でZnIn2O4に類似したスピネル型のナノ構造体を徐々に形成するが、1000 Kで熱処理を施すとこの構造体は分解し、プローブのIn-111は拡散によって最終的には周囲に欠陥のないZn格子点に終着するというシナリオである。これは0.5 at.%のInをドープした試料では観測されなかった結果であり、局所的に形成するナノ構造体の安定性が不純物濃度に依存することを示唆する興味深い結果である。
また、酸化亜鉛の希薄磁性発現に関する研究も、研究計画に則って同時に進めた。これまでZnOに CoとMnを共ドープした場合、それぞれ5 at.%以上導入すると、二次相が析出していたが、平成２８年度は有機酸を触媒とする導入方を新たに開発し、さらに高濃度（6.25 at.%）で固溶させることに成功した。粉末X線回折パターンで固溶を確認した後、こ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ところ、低温でスペクトルに磁気分裂が観測された。5 at.%ずつドープした場合とくらべてより高温側で磁性が観測されたことは、希薄磁性の発現を示唆する大変興味深い結果と言える。今後はスペクトルの温度依存性を精査し、磁性の起源を明らかにする予定である。
|
| 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とAl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、不純物の固溶限界濃度の決定とその限界を超えた場合に形成される二次相の微視的構造を明らかにし、さらにはその局所構造の熱分解過程を議論することができた。また、不純物が創出するZnOの希薄磁性の探索についても、高濃度でCoとMnを固溶させる手法を確立し、発光メスバウアー分光法によって超微細磁場の測定ができた点において、両研究共に順調に進展していると考える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度は、これまでにIn-111プローブで得られている不純物のナノ構造体位置での情報に加え、この構造体存在下でのZnの格子点での情報を得るため、Cd-111mをプローブとする摂動角相関法によって局所場を観察する。また、ZnOの機能性材料としての実用化を念頭において、不純物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、Inのドープ量を様々な濃度で制御して合成したZn(In)Oの電気伝導性と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して比較対照することにより、ZnOの電気伝導性を詳細に理解することができる。
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。特に共ドープの効果を調べるため、昨年度開発したドープ法で、CoとMnの単ドープを行い、磁性発現の有無を調べる。また、Co位置での情報に加え、Mn位置での情報も希薄磁性の現象を理解する上で大変重要となるため、今年度はMn-57ビームを用いたインビームメスバウアー分光法を採用し、Mn位置の超微細場を測定する予定である。
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。
|
| Causes of Carryover |
昨年度と同様に実験を計画していた京都大学原子炉実験所の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。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度は原子炉復旧の見通しが立ったとの連絡を受けているので、予定どおり出張実験を行い、予算を執行する。
|
Research Products
(10 results)
-
[Journal Article] Chemical states of localized Fe atoms in ethylene matrices using in-beam Mossbauer spectroscopy2016
Author(s)
Y. Kobayashi, Y. Yamada, S. Tanigawa, M. Mihara, M. K. Kubo, W. Sato, J. Miyazaki, T. Nagatomo, Y. Sato, D. Natori, M. Suzuki, J. Kobayashi, S. Sato, and A. Kitagawa
-
Journal Title
Hyperfine Interactions
Volume: 237
Pages: 151 (1-6)
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
[Journal Article] Mossbauer spectra obtained using beta-gamma coincidence method after 57Mn implantation into LiH and LiD2016
Author(s)
Y. Sato, Y. Kobayashi, Y. Yamada, M. K. Kubo, M. Mihara, T. Nagatomo, W. Sato, J. Miyazaki, S. Tanigawa, D. Natori, S. Sato, and A. Kitagawa
-
Journal Title
Hyperfine Interactions
Volume: 237
Pages: 74 (1-8)
DOI
Peer Reviewed
-
[Journal Article] Study on chemical reactions of isolated Mossbauer probes in solid gas matrices using in-beam Mossbauer spectroscopy2016
Author(s)
S. Tanigawa, Y. Kobayashi, Y. Yamada, M. Mihara, M. K. Kubo, J. Miyazaki, W. Sato, T. Nagatomo, D. Natori, Y. Sato, S. Sato, and A. Kitagawa
-
Journal Title
Hyperfine Interactions
Volume: 237
Pages: 72 (1-8)
DOI
Peer Reviewed
-
-
-
-
