Electronic structure of solid-electrolytes single-crystals studied by angle-resolved photoemission spectroscopy under electric field

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 22H04612
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 伊藤 孝寛 名古屋大学, シンクロトロン光研究センター, 准教授 (50370127)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 光物性 / 固体電解質 / 放射光 / 電子状態 / 光電子分光 / 吸収分光

Outline of Research at the Start

電極/固体電解質界面で生じるイオン輸送・蓄積機構を解明するためには、固体電解質表面・界面での電子状態を理解することが重要である。しかしながら、この系の電子状態については、理論計算が先行しており、実験観測の結果がほとんど報告されていない現状にある。本研究は、固体電解質のイオン伝導特性を担う電子状態を固体電解質単結晶におけるARPES測定によるバンド構造の直接観測により明らかにすることを目的とする。本研究の実現により、固体電解質における高いイオン伝導度がどのような相互作用により担われているか、という問いに対する答えを得ることで、蓄電固体材料におけるLiイオンダイナミクスの理解を進めることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、固体電解質のイオン伝導特性を担う電子状態を固体電解質単結晶におけるARPES測定によるバンド構造の直接観測により明らかにすることを目的とする。
目的を達成するために令和５年度は、まず系統的なARPES研究をさらに進めるために、これまでに我々がバンド構造観測に成功しているAサイト欠損型ペロブスカイト構造を有するLa(1-x)/3LixNbO3 (LLNbO; x ~0, 0.08) に対して、A2サイトLaを持ちNbをTiに置換したLi3xLa2/3-xTiO3 (LLTO) 、および、Li含有量が多く、複雑なイオン伝導パスが予測されているガーネット型固体電解質Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 (LLZTO) におけるARPES測定を行った。その結果、それぞれバンド構造の直接観測に成功した。得られたバンド構造はLLNbOにおけるものと同様にDFT計算により定性的に再現されることを明らかにした。さらに、Li固体電解質において高いフラックス (1E+12 phs/s) を有する高輝度放射光を照射した際に生じるスペクトル変調の詳細解析の結果、観測されるスペクトル変調はLi結合状態が高結合エネルギー側のブロードな局在変調状態へと変化する第１段階 (Li+生成過程) とブロードな局在変調状態が高結合エネルギー側へとシフトする第２段階 (Li+拡散過程) の２段階のプロセスで生じることを示唆する結果を得た。さらに、LLNbOに対する電場印加環境下 (ホルダ側－0.1 V印加)におけるスペクトル変調観測の結果、第１段階のLi+生成過程が促進される傾向が観測されることを見出した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Control of rotation angles of multilayer graphene on SiC (000-1) by substrate off-direction and angle (2023)
  • Author(s): Sakakibara Ryotaro、Bao Jianfeng、Hayashi Naoki、Ito Takahiro、Hibino Hiroki、Norimatsu Wataru
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 35 Issue: 38 Pages: 385001-385001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/acdebf
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic structure of the surface states of the Zr3SnC2 MAX phase (2023)
  • Author(s): Takahiro Ito, Thierry Ouisse, Manaya Mita, Kiyohisa Tanaka, Laurent Jouffret, Hanna Pazniak, and Serge Quessada
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Issue: 23
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.235145
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Band Gap Opening in Graphene by Hybridization with Au (001) Reconstructed Surfaces (2023)
  • Author(s): Terasawa Tomo-o, Matsunaga Kazuya, Hayashi Naoki, Ito Takahiro, Tanaka Shin-ichiro, Yasuda Satoshi, Asaoka Hidehito
  • Journal Title: Phys. Rev. Mater. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 014002-014002
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.7.014002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic and transport properties of chiral antiferromagnetic Co2－x Pdx Mo3N thin films (2023)
  • Author(s): B. W. Qiang, T. Fukasawa, T. Hajiri, T. Ito, T. Hihara, and H. Asano
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 11 Issue: 2 Pages: 025138-025138
  • DOI: 10.1063/9.0000454
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observation of Thickness-Dependent Exchange Interaction in EuO Ultrathin Films (2022)
  • Author(s): Miyazaki Hidetoshi、Hajiri Tetsuya、Matsunami Masaharu、Inukai Manabu、Ito Takahiro、Kimura Shin-ichi
  • Journal Title: Frontiers in Nanotechnology Volume: 4 Pages: 8717271-6
  • DOI: 10.3389/fnano.2022.872717
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic phase diagram and vanishing topological Hall effect in the chiral antiferromagnet Co_2?xPd_xMo₃N (2022)
  • Author(s): Qiang Bowen、Fukasawa Takeru、Hajiri Tetsuya、Ito Takahiro、Hihara Takehiko、Asano Hidefumi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: 12 Pages: 120901-120901
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac9a92
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 層状MAX相化合物Zr3SnC2の角度分解光電子分光 (2024)
  • Author(s): 三田愛也, 仲武昌史, 田中清尚, Thierry Ouisse, 伊藤孝寛
  • Organizer: 第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] ガーネット型固体電解質Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12バルク単結晶の角度分解光電子分光 (2024)
  • Author(s): 増田圭亮, 小山正太郎, 高倉将一, 仲武昌史, 田中清尚, 片岡邦光, 秋本順二, 入山恭寿, 伊藤孝寛
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] 層状MAB相化合物MoAlBの角度分解光電子分光 (2024)
  • Author(s): 河野健人, 三田愛也, 田中清尚, 高倉将一, 仲武昌史, Hanna Pazniak, Thierry Ouisse, 伊藤孝寛
  • Organizer: 日本物理学会2024年春季大会
• [Presentation] Electronic Structure of Solid Electrolytes LixLa(1-x)/3NbO3 Bulk Single Crystal Studied by Angle-resolved Photoemission Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Takahiro Ito, Ryo Yamamoto, Shotaro Koyama, Masashi Nakatake, Shoichi Takakura, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Yasuyuki Fujiwara, Hiroki Moriwake and Yasuyoshi Iriyama
  • Organizer: ICMAT2023 (11th International Conference on Materials for Advance Technologies)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic Structure of Solid Electrolytes LixLa(1-x)/3NbO3 Bulk Single Crystal Studied by Angle-resolved Photoemission Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Shotaro Koyama, Masashi Nakatake, Shoichi Takakura, Kiyohisa Tanaka, Yasuyuki Fujiwara, Toshinori Taishi, Hiroki Moriwake, Yasuyoshi Iriyama and Takahiro Ito
  • Organizer: ICMAT2023 (11th International Conference on Materials for Advance Technologies)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic Structure of Solid Electrolytes LixLa(1-x)/3NbO3 Bulk Single Crystal Studied by Angle-resolved Photoemission Spectroscopy (2023)
  • Author(s): Takahiro Ito, Ryo Yamamoto, Shotaro Koyama, Shoichi Takakura, Masashi Nakatake, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Yasuyuki Fujiwara, Hiroki Moriwake and Yasuyoshi Iriyama
  • Organizer: MRM&ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リチウム固体電解質Li_3x_La_2/3-x_TiO_3_単結晶の角度分解光電子分光 (2023)
  • Author(s): 小山正太郎, 高倉将一, 仲武昌史, 田中清尚, 藤原靖幸, 太子敏則, 森分博紀, 入山恭寿, 伊藤孝寛
  • Organizer: 日本物理学会第７８回年次大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光による固体電解質バルク単結晶の研究 (2023)
  • Author(s): 伊藤孝寛
  • Organizer: バルク成長分科会第113回研究会
• [Presentation] Electronic structure of some selected MAX phases (2022)
  • Author(s): Takahiro Ito, Kanji Furuta, Damir Pinek, Youngsoo Kim, Masashi Nakatake, Shin-ichiro Ideta, Kiyohisa Tanaka, Patrick Le Fevre, Francois Bertran, Thierry Ouisse
  • Organizer: CIMTEC2022 (15th International Ceramics Congress)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 軸配位型フタロシアニン分子系伝導体TPP[FePc(CN)2]2の光電子分光 (2022)
  • Author(s): 保科拓海, 仲武昌史, 高倉将一, 出田真一郎, 田中清尚, 松田真生, 花咲徳亮, 伊藤孝寛
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 層状MAX相化合物Zr3SnC2の角度分解光電子分光 (2022)
  • Author(s): 三田愛也, Damir Pinek, 田中清尚, Thierry Ouisse, 伊藤孝寛
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] リチウム固体電解質母物質La1/3NbO3単結晶の角度分解光電子分光 (2022)
  • Author(s): 小山正太郎, 山本凌, 高倉将一, 仲武昌史, 田中清尚, 藤原靖幸, 森分博紀, 入山恭寿, 伊藤孝寛
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 角度分解光電子分光による固体電解質LixLa(1-x)/3NbO3バルク単結晶の電子状態の研究 (2022)
  • Author(s): 伊藤 孝寛、山本 凌、小山 正太郎、仲武 昌史、高倉 将一、出田 真一郎、田中 清尚、藤原 靖幸、森分 博紀、入山 恭寿
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会