| 研究領域 | 超セラミックス：分子が拓く無機材料のフロンティア |
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| 研究課題/領域番号 |
22H05144
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
大谷 亮 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30733729)
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| 研究分担者 |
高橋 雅英 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (20288559)
定金 正洋 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10342792)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
168,480千円 (直接経費: 129,600千円、間接経費: 38,880千円)
2025年度: 29,640千円 (直接経費: 22,800千円、間接経費: 6,840千円)
2024年度: 29,510千円 (直接経費: 22,700千円、間接経費: 6,810千円)
2023年度: 44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円)
2022年度: 35,230千円 (直接経費: 27,100千円、間接経費: 8,130千円)
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| キーワード | 超セラミックス / 極性 / シアノ / ポリオキソメタレート / 薄膜 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
無機材料の新物性を開拓し機能性を高めるためには、構造の次元性と結晶形態の制御が欠かせない。これは、電子状態や構造特性が、結晶中での強固な無機骨格の組み上がり方によって制御されると同時に、表面積や露出している結晶面、ドメインサイズといった粒体のもつマクロな因子にも大きな影響を受けるためである。本研究では、分子を高度に扱うことを得意とする錯体化学に立脚した合成開拓を通じて、超セラミックスの構造次元性と結晶形態に着目した構造設計指針を確立する。
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| 研究実績の概要 |
極性一次元鎖超セラミックスK2MnN(CN)4.H2Oの強誘電特性の評価を行った。湿度80％において1kV/cmの印可電圧で測定したところ、32mC/cm2という巨大な分極値が確認された。これは、結晶構造に基づく10uC/cm2という値とは大きく異なっており、結晶格子を超えたイオンの移動による分極現象であると考えられる。すなわち、外部電場により移動したプロトンが極性骨格にトラップされることで、電場を切っても分極状態が維持されることによるものであると考察した。また、班内連携を開始し、特に極性プロトン伝導体(NEt4)2MnN(CN)4.H2Oを用いた薄膜調整の検討を行った。キャスト法により薄膜を作成し、X線回折測定を行ったところ、配向の揃った薄膜が得られることが分かった。
POMを用いた超セラミックスに関しては、5角形モリブデンPOMと他の金属カチオンを組み合わせることによる3次元POM超セラミックス結晶構築に関しては、モリブデン原料として使うことが出来るメチルアンモニウムカチオンおよびジメチルアンモニウムカチオンを含む新しいモリブデン原料を合成し構造解析することに成功した。また、A01班と領域内共同研究を開始しモリブデン原料のin-situ分析を行った。加えてB01班と3次元POM結晶の分析に関する共同研究を始めた。
基盤を用いた二次元超セラミックスに関しては、水酸化物結晶基板上でMOFをエピタキシャル成長することで配向MOF薄膜を得た。γ-AlO(OH)を基板として用いることで、世界に先駆けてAl系MOF配向膜（MIL-53(Al)）を得た。γ-AlO(OH)のAl-OH-Al結合の配列がカルボン酸の配向方向を規定することを初めて見出した。MIL-53(Al)は微量のガスを吸着することで構造転移を伴うことを利用して、異なるガス気流中での応答性アクチュエータを作成した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
極性超セラミックスK2MnN(CN)4.H2Oの示すプロトン整流特性に関する物性解析が進んでいるだけではなく、全く新しい強誘電特性を見出した。また薄膜調整に関する進展が見られていることから判断した。
これまではCu系に限定されていた配向MOF薄膜に化学的多様性をもたらしたことで、エピタキシャル成長による有機-無機ハイブリッド結晶の成長方位制御の基盤拡大への進展が期待されることから判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
極性超セラミックスに関しては、類縁体である極性結晶Li2MnN(CN)4.3H2Oのイオン電導特性と強誘電性の評価を進める。特に、PUND法を用いた強誘電評価により真の分極値を求めると同時に、イオンの緩和速度を評価する。また、K2MnN(CN)4.H2Oとの比較により、イオン伝導性と強誘電性との相関関係を明らかにする。
POMに関しては、5角形形モリブデンPOMを組み上げた3次元POM超セラミックス結晶の詳細な結晶構造解析をB01班と共同で進めていく。また、ルテニウム4核POMと有機2座配位子を組み合わせる2次元POM超セラミック結晶の合成も行う。
二次元超セラミックスに関しては、二次元超セラミックスに関しては、より精密なエピタキシャル界面制御へと展開したい。特に、エピタキシャル無機結晶膜で広く行われているストレスエンジニアリングによる機能開拓・制御へと発展させる。基板となる金属水酸化物とMOFの格子不整合を利用することで膜界面における巨大なストレスによるトポロジー制御を実現し、機能発現へとつなげる。
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