| Project Area | Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures |
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| Project/Area Number |
20H05879
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
谷口 博基 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (80422525)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
久保園 芳博 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (80221935)
武田 博明 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (00324971)
中島 清隆 北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (90451997)
田中 秀明 大阪大学, 蛋白質研究所, 准教授 (40346169)
佐藤 友子 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (80553106)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥175,240,000 (Direct Cost: ¥134,800,000、Indirect Cost: ¥40,440,000)
Fiscal Year 2022: ¥29,380,000 (Direct Cost: ¥22,600,000、Indirect Cost: ¥6,780,000)
Fiscal Year 2021: ¥40,300,000 (Direct Cost: ¥31,000,000、Indirect Cost: ¥9,300,000)
Fiscal Year 2020: ¥50,830,000 (Direct Cost: ¥39,100,000、Indirect Cost: ¥11,730,000)
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| Keywords | 誘電体 / 超伝導体 / 触媒 / タンパク質 / 単結晶育成 / 超秩序構造 / 高圧実験 / 局所構造 / 元素置換 |
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| Outline of Research at the Start |
現在、情報通信やパワーエレクトロニクス技術の飛躍的な向上、そして環境に優しく持続可能な社会の構築、これらの一見両立が困難なニーズが同時に高まる中、新材料開発における革新的展開が強く求められている。それに対して「超秩序構造」の基礎学理は、ミクロな構造に対して驚異的な機能性を付与する材料設計の新概念であり、個々の構成元素の特性に依存した従来の材料設計をアップグレードするものである。本計画研究では、異分野間の有機的かつ相乗的な連携の下、「超秩序構造」という新たな材料設計コンセプトによって、優れた材料特性と高い環境親和性を同時に実現する革新的なエマージェント物性の創出に取り組む。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、誘電物性、量子物性、電子伝達特性に着目し、高誘電率高信頼性キャパシタや誘電体マルチチューナビリティの創出、未来エネルギー材料の創製、次世代の触媒反応系の構築、そして光合成反応における高効率電子伝達機構の完全理解の実現に向けて、優れた機能性を備えた超秩序構造の探索と設計、そして超秩序構造の機能性－構造相関の究明に取り組んでいる。2021年度は次に示す項目を実施した。①Nb+X (X = Al, Ga, In) 複合置換ルチル型TiO2の単結晶育成・組成分析・誘電特性評価およびNb単置換置換ルチル型TiO2の単結晶育成・誘電特性評価（谷口グループ）、②水溶性乳酸錯体を利用したアモルファス金属錯体法によるα-アルミナ表面での結晶性BaNb2O5微粒子の簡便な合成法の開発およびそれを利用したキシロースからの高選択性フルフラール合成（中島グループ）、③高温用圧電材料(Ca,Sr)2MgSi2O7の高品質結晶化、希土類イオンドープメリライト型結晶のバルク化、Liイオン電池負極材候補材料TiNb2O7のバルク結晶化、光誘電体Zn:BaAl2O4のホスト材料であるBaAl2O4のバルク結晶化（武田グループ）、④トポロジカル絶縁体Sb2Te3-ySeyの圧力下での超伝導相実現と構造転移の解明およびβ-PdBi2の蛍光X線ホログラムから結晶構造の決定（久保園グループ）、⑤フェレドキシン（Fd）が持つ[2Fe-2S]金属クラスターの蛍光X線ホログラフィによる解析およびFdによる電子伝達機構の解明を目指した超高分解能X線構造を用いた理論計算（田中グループ）、⑥高圧下その場蛍光X線ホログラフィ測定用高開口ダイヤモンドアンビル装置の開発・圧力印可によるシリカライトおよびアモルファスアルミナの1mmサイズガラス透明バルク体の合成（佐藤グループ）。
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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
当初の計画通り、巨大分極応答性超秩序構造の研究に関しては、(Nb0.5Al0.5)0.01Ti0.99O2、(Nb0.5Ga0.5)0.01Ti0.99O2、(Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2のas-grownおよびAl2O3、Ga2O3、In2O3粉末包埋下でのポストアニールを施した単結晶に対して蛍光Ｘ線分析を実施し、単結晶育成過程およびポストアニール過程における組成の変化と、それが誘電特性に及ぼすの影響を明らかにした。また、SPring-8において蛍光Ｘ線ホログラフィを実施することによって異価数元素の微量置換によって生じる局所構造の究明に取り組み、得られた結果と誘電測定の結果を比較することによって、超秩序構造－誘電特性相関に関する知見を得た。一方、光誘電応答性超秩序構造の研究に関しても当初の予定通り、充填トリジマイト型のワイドギャップアルミネート化合物であるBaAl2O4に対して系統的な異価数元素の微量置換を施した高密度焼結体を合成し、光照射下における誘電測定を広い温度領域（300K~700K）と広い周波数帯域（10^2Hz~10^7Hz）において実施した。それによって得られた光誘電効果の周波数分散および温度変化を解析することによって光誘電応答性超秩序構造の設計指針に関する知見を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
巨大分極応答性超秩序構造の研究に関しては、置換する異価数元素それぞれの役割を明らかにするために、今年度は特にNbを単置換したTiO2にフォーカスし、①Nb置換率を系統的に変化させたセラミックス試料および高品質単結晶試料の育成、②十分な絶縁性を有する低温領域での精密誘電測定、③蛍光Ⅹ線分析による組成評価に取り組む。それと並行して、第一原理計算による再安定欠陥構造の評価と蛍光Ⅹ線ホログラフィによる精密局所構造解析を行い、局所構造－誘電特性相関を明らかにする。また、光応答性超秩序構造の研究に関しては、特にZn置換を施したBaAl2O4に着目し、第一原理計算による再安定欠陥構造および光励起状態における局所構造の解明に取り組む。さらに、優れた時間分解能ｗお有する光誘電測定系を新たに構築し、光誘電効果の緩和過程うぃ温度の関数として詳細に調べる。それによって光応答性超秩序構造に関する新たな知見を得る。さらに新たな機能性超秩序構造の探索を目的として、アルミネートソーダライト型化合物における新規圧電材料の探索、新規機能性触媒材料の探索、新規塗油伝導材料の探索を継続して実施するとともに、有望物質に関しては大型高品質単結晶の育成に取り組む。また、蛍光Ⅹ線ホログラフィと理論計算の連携によるフェレドキシンの電子伝達機構解明にも継続して取り組む。
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