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酸化物材料の欠陥の定量的理解による材料開発指針への展開

研究課題

研究課題/領域番号 11J10050
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 無機材料・物性
研究機関東北大学

研究代表者

及川 格  東北大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2011 – 2013
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワードペロブスカイト型酸化物 / プロトン伝導体 / 核磁気共鳴分光法 / 局所構造解析 / 第一原理計算 / プロトントラッピング / 酸素空孔 / 希土類元素 / ペロブスカイト酸化物 / 核磁気共鳴 / 局所構造 / ペロブスカイト / 固体NMR / 局所環境 / 酸化物 / Sc-45 / プロトン
研究概要

平成25年度の研究の目的は、核磁気共鳴(nuclear magnetic resonance ; NMR)分光と第一原理計算を用いた局所構造解析によりBaZrO_3系プロトン伝導体の局所構造の定量的理解と粒界伝導度の向上によりプロトン伝導性を向上させることであった。
本研究を遂行する過程で、NMR分光によりプロトンの長距離伝導を阻害しているプロトントラッピングを抑制できる知見が得られたため、申請書で計画していた粒界伝導度の向上でなくプロトントラッピングに着目して伝導度向上を目指す研究を行った。その結果、希土類置換BaZrO3プロトン伝導体の長距離伝導の律速過程となっている置換元素によるプロトンのトラッピングについて、拘束を受けていないプロトンの存在をNMRと熱重量分析により示した。
それに加えてプロトン伝導性酸化物のキャリア濃度とキャリア形成に関わる欠陥構造、局所構造に着目して研究を行い、NMR分光法を用いたSc置換BaZrO_3プロトン伝導体の解析より局所構造がキャリア濃度に及ぼす影響について示した。さらにNMRと第一原理計算を組み合わせた手法が核位置での電場勾配を指標とすることで酸化物中の格子欠陥などの局所的な構造の理解に役立つことを示した。
本研究の意義は置換元素周囲のプロトン量と酸素空孔量を定量的に明らかにすることにより、局所構造の観点からプロトン伝導性を理解する点にある。過去の研究では、電気伝導度測定や熱重量分析により巨視的な視点からプロトン伝導体の理解はかなり進んでいるが、伝導度に直接影響する置換元素周囲の構造といった微視的な観点からの理解はあまり進んでいなかった。本研究では、電気伝導度測定やX線回折では得ることが難しい置換元素周囲の欠陥の情報を局所構造に敏感なNMRと第一原理計算を用いて解析することにより、プロトン濃度と伝導度の向上に資する材料開発指針を得ることができた。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

報告書

(3件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (5件)

すべて 2013 2012 2011

すべて 学会発表 (5件) (うち招待講演 1件)

  • [学会発表] ペロブスカイト型プロトン伝導体の欠陥と局所環境2013

    • 著者名/発表者名
      及川 格
    • 学会等名
      第30回先端計測オープンセミナー
    • 発表場所
      茨城県つくば市
    • 年月日
      2013-06-28
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Spectroscopic study on local environment in doped BaZrO_32013

    • 著者名/発表者名
      Itaru Oikawa
    • 学会等名
      The 19^<th> International Conference of Solid State Ionics
    • 発表場所
      京都府京都市
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 密度汎関数理論によるSc位置の電場勾配の計算2013

    • 著者名/発表者名
      及川 格
    • 学会等名
      第9回固体イオニクスセミナー
    • 発表場所
      岐阜県下呂市
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 固体NMRを用いた希土類添加BaZrO_3の局所環境解析2012

    • 著者名/発表者名
      及川格
    • 学会等名
      第8回固体イオニクスセミナー
    • 発表場所
      信貴山玉蔵院(奈良)
    • 年月日
      2012-09-04
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] ペロブスカイト型プロトンで伝導体の欠陥の等方性と安定性2011

    • 著者名/発表者名
      及川格
    • 学会等名
      日本金属学会2011年秋期大会
    • 発表場所
      沖縄県宜野湾市
    • 年月日
      2011-11-07
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

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公開日: 2011-12-12   更新日: 2024-03-26  

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