格子歪とアニオンランダム配置の相乗効果による界面高イオン導電性の発現

• 研究課題/領域番号: 15H02024
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長谷川 哲也 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10189532)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 42,770千円 (直接経費: 32,900千円、間接経費: 9,870千円); 2019年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2018年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2017年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2016年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2015年度: 27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円)
• キーワード: 界面イオン伝導 / 格子歪 / アニオン欠損 / イオン伝導度 / アニオンドープ / 酸素欠損 / 表面・界面物性 / エピタキシャル歪

研究成果の概要

立方晶ZrO2相中の酸化物イオンの導電性に対するカチオンドーピング、アニオンドーピング、酸素欠損量、エピタキシャル歪みの影響を第一原理MD計算により系統的に調べた。さらに、アニオン（窒素およびフッ素）ドープによる効果を検証した。その結果、酸素欠損、格子歪および異種アニオンを導入することで、酸素の拡散係数が大幅に増大することを見出した。続いて、La-O-F系に注目して計算を進め、F-の方がO2-よりも拡散係数は大きいことを示した。さらに、結晶系の影響についても調べ、層状の正方晶系では層間でのイオンの移動が制限され、F-がinterstitialcy機構によって拡散することを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、界面を用いたイオン伝導にという新規分野とその学理の基礎が確立されたという点で学術的な意義は大きい。また、材料開発の面では、界面を利用するという新しいアプローチが生まれ、探索対象が大幅に広げることができた。特に、将来的には、燃料電池の分野に及ぼすインパクトは大きい。単一の界面だけでは、輸送できるイオンの量が限られるが、積層化すれば輸送量も実用レベルまで到達しうると考えられる。さらに、本申請ではフッ化物イオンや酸化物イオンの伝導に焦点を絞ったが、本研究で確立させた学理は、リチウムイオンなどのカチオン伝導やヒドリドといった他のアニオン伝導にも適用できるため、波及効果は計り知れない。

研究成果

• [雑誌論文] Two-dimensional fluorine distribution in a heavily distorted perovskite nickel oxyfluoride revealed by first-principles calculation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuji Kurauchi, Tsukasa Katayama, Akira Chikamatsu, and Tetsuya Hasegawa
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 123 号: 51 ページ: 31190-31195
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b09112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interstitialcy diffusion of fluoride ions in LaOF by DFT-based first-principles calculations (2019)
  • 著者名/発表者名: Mayuko Oka, Hideyuki Kamisaka, Tomoteru Fukumura, and Tetsuya Hasegawa
  • 雑誌名: Comp. Mater. Sci. 巻: 167 ページ: 92-92
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.05.028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Selective fluorination of perovskite iron oxide/ruthenium oxide heterostructures via a topotactic reaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Chikamatsu, Yusuke Suzuki, Takahiro Maruyama, Tomoya Onozuka, Tsukasa Katayama, Daisuke Ogawa, and Tetsuya Hasegawa
  • 雑誌名: Chem. Commn. 巻: 55 号: 17 ページ: 2437-2440
  • DOI: 10.1039/c8cc09443h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of Fluorite-Type Fluoride Ba0.5Bi0.5F2.5 Thin Films by Fluorination of Perovskite BaBiO3 Precursors with Poly(vinylidene fluoride) (2018)
  • 著者名/発表者名: Chikamatsu Akira、Kawahara Keisuke、Shiina Takaaki、Onozuka Tomoya、Katayama Tsukasa、Hasegawa Tetsuya
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 3 号: 10 ページ: 13141-13145
  • DOI: 10.1021/acsomega.8b02252
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DFT-based ab initio MD Simulation of the Ionic Conduction in Doped ZrO2 Systems under Epitaxial Strain (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Oka, H. Kamisaka, T. Fukumura and T. Hasegawa
  • 雑誌名: Phys. Chem. Phys. Chem. 巻: 17 号: 43 ページ: 29057-29063
  • DOI: 10.1039/c5cp03238e
• [学会発表] ペロブスカイト型酸フッ化物SrCrO3-xFx薄膜の作製と電子状態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 近松彰、丸山敬裕、片山司、Yu Su、辻本吉廣、山浦一成、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、長谷川哲也
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] トポタクティックフッ素ドープによるLa0.1Sr1.9IrO4-xFy薄膜の作製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 丸山敬裕、近松彰、片山司、倉持建汰、荻野拓、北村未歩、堀場弘司、組頭広志、長谷川哲也
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ペロブスカイト酸窒化物CaTaO2Nのエピタキシャル成長の基板依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 若杉択人、廣瀬靖、中尾祥一朗、原山勲、杉澤悠紀、菊田純市、関場大一郎、長谷川哲也
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Fabrication of fluorite-type Ba0.5Bi0.5F2.5 thin films by fluorination of perovskite BaBiO3 with polyvinylidene fluoride (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Chikamatsu, Keisuke Kawahara, Takaaki Shiina, Tomoya Onozuka, Tsukasa Katayama, and Tetsuya Hasegawa
  • 学会等名: E-MRS 2018 Spring Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 複合アニオン化合物薄膜の合成と物性開拓 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長谷川哲也
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 複合アニオン化合物薄膜の合成と物性開拓 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 哲也
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 複合アニオン化合物薄膜におけるアニオン配列制御とその評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長谷川哲也
  • 学会等名: 第11回物性科学領域横断研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Growth of Electronic Functional Oxynitride Thin Films by Pulsed Laser Deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Hasegawa
  • 学会等名: 10th International Symposium on Transparent Oxide and Related Materials for Electronics and Optics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Li3xLa2/3‐xTiO3 中の Li イオン伝導に対する格子歪みの効果: 分子動力学シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 川原皐紀, 神坂英幸, 長谷川哲也
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] DFT-based ab initio MD Simulation of the Ionic Conduction in N/F-Doped ZrO2 under Epitaxial Strain (2016)
  • 著者名/発表者名: Mayuko Oka, Hideyuki Kamisaka, Tomoteru Fukumura and Tetsuya Hasegawa
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials
  • 国際学会
• [学会発表] First-principle Computational Approach to Ionic Conduction in Transition Metal Oxide: Effect of strain, defects, and dopants in ZrO2 system (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Oka, H. Kamisaka, T. Fukumura and T. Hasegawa
  • 学会等名: E-MRS 2016 Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DFT-based ab initio MD Simulation of the Ionic Conduction in Doped ZrO2 Systems under Epitaxial Strain (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Oka, H. KAMISAKA, T. Fukumura and T. Hasegawa
  • 学会等名: EMN Fuel Cell Meeting 2016
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] LaOFにおけるイオン伝導機構の第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡 真悠子, 神坂英幸, 福村知昭, 長谷川哲也
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会2016神戸
• [学会発表] DFT-based Ab Initio MD Simulation of the Ionic Conduction in Doped ZrO2 Systems under Epitaxial Strain (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Oka, H. Kamisaka, T. Fukumura and T. Hasegawa
  • 学会等名: MANA-RSC symposium: Materials for Energy Generation and Storage
  • 発表場所: 物質・材料研究機構（茨城県、筑波市）
  • 年月日: 2015-10-15
  • 国際学会
• [学会発表] 複合アニオン化合物エピタキシャル薄膜の合成と物性開拓 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長谷川哲也
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第28回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 富山大学（富山県、富山市）
  • 年月日: 2015-09-18
  • 招待講演
• [学会発表] エピタキシャル歪み下におけるZrO2系薄膜の構造変化とイオン伝導性に関する第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岡真悠子、神坂英幸、福村知昭、長谷川哲也
  • 学会等名: 第18回理論化学討論会
  • 発表場所: 大阪大学会館（大阪府、豊中市）
  • 年月日: 2015-05-20