Development of room-temperature fast hydride-ion conductors using epitaxial thin films

• Project/Area Number: 22K20559
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0502:Inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 笹原 悠輝 京都大学, 工学研究科, 特定研究員 (30965611)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ヒドリド伝導体 / エピタキシャル薄膜 / パルスレーザー堆積法 / 水素化ハロゲン化物 / 超イオン伝導体

Outline of Research at the Start

最近、水素のアニオンであるヒドリド (H－)が注目を集めている。H－は、電池系のデバイスのみならず、有機反応や触媒にも応用可能であるため、従来のイオニクスデバイスでは成し得なかった特異なデバイスの実現を期待できる。しかし、現状では室温における伝導率の低さが課題となり、H－の強みを生かし切れていない。そこで本研究では、水素系物質の薄膜合成に特化した装置によるH－伝導体の高品質なエピタキシャル薄膜合成により、室温における高速H－伝導を生み出す。

Outline of Annual Research Achievements

最近、水素のアニオンであるヒドリド (H－)が注目を集めている。H－は、電池系のデバイスのみならず、有機反応や触媒にも応用可能であるため、従来のイオニクスデバイスでは成し得なかった特異なデバイスの実現を期待できる。しかし、現状では室温における伝導率の低さが課題となり、H－の強みを生かし切れていない。そこで本研究では、水素系物質の薄膜合成に特化した装置によるH－伝導体の高品質なエピタキシャル薄膜合成により、室温における高速H－伝導を生み出すことを目標とする。
今年度は装置の開発とK2NiF4型酸水素化物La2LiHO3(LLHO)のエピタキシャル薄膜合成によるH－伝導特性の向上に取り組んだ。前者に関しては、グローブボックスから大気に曝露することなくターゲットや試料を搬送可能なパルスレーザー堆積(PLD)装置と不活性雰囲気で真空プローバに試料搬送できる簡易グローブボックスを開発した。このPLD装置には、真空蒸着機構が試料準備室を介して接続されており、電極堆積まで大気非曝露で行うことが可能である。
後者に関しては、LiHを180 wt%添加したLLHOターゲットを用い、中温・低エネルギー密度で薄膜を堆積することでLaSrAlO4(001)基板上に極めて高品質な(001)配向したLLHOエピタキシャル薄膜の合成に成功した。この薄膜を用い、理論計算からH－の拡散経路だと予測されているab面内のイオン伝導率を評価したところ、バルク多結晶体よりも室温で４桁高いH－伝導を得ることに成功した。

Research Products

• [Presentation] La2LiHO3エピタキシャル薄膜のab面内における高速H-伝導 (2023)
  • Author(s): 笹原 悠輝, 廣瀬 隆, 吉本 将隆, 松井 直喜, 小林 成, 生方 宏樹, 竹入 史隆, 鈴木 耕太, 平山 雅章, 西尾 和記, 清水 亮太, 菅野 了次, 小林 玄器, 一杉 太郎
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会