高出力太陽電池を指向した、スピノーダル分解による超多層ルチル型酸化物膜の開発

• 研究課題/領域番号: 17K06794
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 村岡 祐治 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (10323635)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2019年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: スピノーダル分解 / ルチル型酸化物 / ラメラ周期 / 異原子価イオンドープ / 超多層構造膜 / 歪効果 / 多層膜 / 二酸化バナジウム薄膜 / 放射光光電子分光 / 電子構造 / フェルミ面 / TiO2-VO2 / 異原子価ドープ / 機能性セラミックス材料 / 超多層膜 / 太陽電池

研究成果の概要

ルチル型TiO2-VO2系のバルクと膜を用いて、この系の異方的スピノーダル分解を研究した。バルク体では、分解により生じるc軸方向のラメラ周期と分解の速さについて調べた。その結果、周期はアニール時間とともに26から48 nmに増大すること、相分離の速さが微量のAl3+イオンドープで促進され、Nb5+ドープでは逆に抑制されることを見出した。膜では、異方的分解を活用した多層膜構造に取り組んだ。その結果、TiO2-VO2膜の配向を変えることで、ラメラ構造が基板に対して水平、斜め、垂直に配列した多層構造膜を作ることに成功した。膜のc軸長歪の緩和がスピノーダル分解の発生に重要であることも明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

酸化物系でスピノーダル分解を起こす物質例は5－6件に限られる。異方的に起こる例は、本系以外にルチル型のTiO2-SnO2とコランダム型のAl2O3-Cr2O3の2例が知られているのみである。そのため、本系で得られる周期構造や分解速さの知見は、酸化物系スピノーダル分解の進行や分解方向のメカニズムを理解する重要な情報になる。また、本研究は、スピノーダル分解が酸化物の多層膜作製のための有効な手段になることを明示した。これによりこれまで困難であった超多層構造膜における物性・機能の研究が可能となった。スピノーダル分解を用いた多層化技術により今後、超多数界面による高出力太陽電池材料の開発に期待がもたれる。

研究成果

• [雑誌論文] Strain effects on spinodal decomposition in TiO2-VO2 films on TiO2(100) substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuji Muraoka, Fumiya Yoshii, Takahiro Fukuda, Yuji Manabe, Mikiko Yasuno, Yoshito Takemoto, Kensei Terashima, Takanori Wakita, and Takayoshi Yokoya
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 698 ページ: 137854-137854
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2020.137854
  • NAID: 120007193924
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multilayer formation via spinodal decomposition in TiO2-VO2 epitaxial films on sapphire substrates (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuka Matsuura, Fumiya Yoshii, Tsubasa Otsuka, Kenji Kadowaki, Masataka Ijiri, Yoshito Takemoto, Kensei Terashima, Takanori Wakita, Takayoshi Yokoya, and Yuji Muraoka
  • 雑誌名: J. Eur. Ceram. Soc. 巻: 38 号: 15 ページ: 5043-5050
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.035
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of the local structure of Sr2-xMxIrO4 (M = K, La) as a function of doping and temperature (2018)
  • 著者名/発表者名: Kensei Terashima, Eugenio Paris, Eduardo Salas-Colera, Laura Simonelli, Boby Joseph, Takanori Wakita, Kazumasa Horigane, Masanori Fujii, Kaya Kobayashi, Rie Horie, Jun Akimitsu, Yuji Muraoka, Takayoshi Yokoya and Naurang Lal Saini
  • 雑誌名: Phys.Chem.Chem.Phys. 巻: 20 号: 36 ページ: 23783-23788
  • DOI: 10.1039/c8cp03756f
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature-dependent local structure and superconductivity of BaPd2As2 and SrPd2As2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kensei Terashima, Eugenio Paris, Eduardo Salas-Colera, Laura Simonelli, Boby Joseph, Takanori Wakita, Kazumasa Horigane, Masanori Fujii, Kaya Kobayashi, Rie Horie, Jun Akimitsu, Yuji Muraoka, Takayoshi Yokoya and Naurang Lal Saini
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 9 ページ: 094525-094525
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.094525
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Martensitic transformation induced in Ti-15V-7Al alloy at low and high temperatures (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Takemoto, M. Tsunekawa, Y. Manabe, S. Itano and Y. Muraoka
  • 雑誌名: Mater. Trans. 巻: 59 ページ: 1560-1566
  • NAID: 130007486289
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fermi surface topology in a metallic phase of VO2 thin films grown on TiO2(001) substrates (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuji Muraoka, Hiroki Nagao, Yuichiro Yao, Takanori Wakita, Kensei Terashima, Takayoshi Yokoya, Hiroshi Kumigashira and Masaharu Oshima
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 8 号: 1 ページ: 17906-17906
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36281-8
  • NAID: 120006727116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Origins of thermal spin depolarization in half-metallic ferromagnet CrO2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirokazu Fujiwara, Kensei Terashima, Masanori Sunagawa, Yuko Yano, Takanobu Nagayama, Tetsushi Fukura, Fumiya Yoshii, Yuka Matsuura, Makoto Ogata, Takanori Wakita, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa, Kenta Kuroda, Shik Shin, K. Horiba, H. Kumigashira, Yuji Muraoka and Takayoshi Yokoya
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 121 号: 25 ページ: 257201-257201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.257201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced thermoelectricity by controlled local structure in bismuth-chalcogenides (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Terashima, Y. Yano, E. Paris, Y. Goto, Y. Mizuguchi, Y. Kamihara, T. Wakita, Y. Muraoka, N. L. Saini, and T. Yokoya
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 125 号: 14 ページ: 145105-145105
  • DOI: 10.1063/1.5087096
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of aliovalent dopants on the kinetics of spinodal decomposition in rutile-type TiO2-VO2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Makoto Ogata, Kenji Kadowaki, Masataka Ijiri, Yoshito Takemoto,Kensei Terashima, Takanori Wakita, Takayoshi Yokoya, Yuji Muraoka
  • 雑誌名: J. Eur. Ceram. Soc. 巻: 37 号: 9 ページ: 3177-3183
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.03.039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of intrinsic half-metallic behavior of CrO2(100) epitaxialfilms by bulk-sensitive spin-resolved PES (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Fujiwara, M. Sunagawa, K. Terashima, T. Kittaka, T. Wakita, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • 雑誌名: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 巻: 220 ページ: 46-49
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2017.02.003
  • 査読あり
• [学会発表] VO2/TiO2:Nb接合界面を用いたVO2薄膜の仕事関数の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村岡 祐治、壽賀 友貴、寺嶋 健成、脇田 高徳、横谷 尚睦
  • 学会等名: 2019年度 応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
• [学会発表] ルチル型複合酸化物薄膜の作製と機能探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村岡 祐治
  • 学会等名: 第69回 CVD研究会（第30回夏季セミナー）
  • 招待講演
• [学会発表] VO2の薄膜作製について (2019)
  • 著者名/発表者名: 村岡 祐治
  • 学会等名: 日本表面真空学会 スパッタリングおよびプラズマプロセス技術部会 第162回定例研究会「酸化バナジウム薄膜の作製とその応用」
  • 招待講演
• [学会発表] VO2/TiO2:Nb接合界面を活用したVO2薄膜の仕事関数の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村岡 祐治、壽賀 友貴、脇田 高徳、横谷 尚睦
  • 学会等名: 第80回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] Change in work function of VO2 at the metal-insulator transition in a VO2/TiO2:Nb(001) heterojunction (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuji Muraoka, Yuki Suga, Hayato Nakahara, and Takayoshi Yokoya
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES) 2019
• [学会発表] ARPES study on a metallic phase of VO2/TiO2(001) thin films (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuji Muraoka, Hiroki Nagao, Yuichiro Yao, Takanori Wakita, Kensei Terashima, Takayoshi Yokoya, Hiroshi Kumigashira, Masaharu Oshima
  • 学会等名: The 23th Hiroshima International Symposium on Synchrotron Radiation
• [学会発表] Ti0.4V0.6O2/TiO2(100)膜界面近傍のスピノーダル分解 (2019)
  • 著者名/発表者名: 村岡祐治、吉井文哉、福田貴優、真鍋侑司、安野実希子、竹元嘉利、寺嶋健成、脇田高徳、横谷尚睦
  • 学会等名: 第66回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] スピノーダル分解を用いたTiO2-VO2多層構造膜の作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村岡 祐治、松浦 由佳、真部 侑司、鈴木 雄基、荒木 稜、門脇 賢司、竹元 嘉利、 寺嶋健成、脇田 高徳、横谷 尚睦
  • 学会等名: 応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
• [学会発表] VO2薄膜金属相の電子状態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村岡祐治
  • 学会等名: 第3回「表面界面の機能創製とデバイス応用」セミナー
• [学会発表] TiO2-VO2系膜におけるスピノーダル分解と格子歪 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村岡祐治、吉井文哉、寺嶋健成、脇田高徳、横谷尚睦
  • 学会等名: 第79回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] Formation of multilayer structure via spinodal decomposition in TiO2-VO2 epitaxial films (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Muraoka, Y. Matsuura, Y. Takemoto, K. Terashima, T. Wakita, T. Yokoya
  • 学会等名: he 2nd International Conference on Advanced Materials and Processes for Environment, Energy and Health
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] TiO2-VO2系におけるスピノーダル分解膜の作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村岡祐治
  • 学会等名: 第2回「表面界面の機能創製とデバイス応用」セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] TiO2-VO2系配向膜におけるスピノーダル分解 (2018)
  • 著者名/発表者名: 村岡祐治、松浦由佳、真鍋侑司、鈴木雄基、荒木稜、門脇賢司、竹元利嘉、寺嶋健成、脇田高徳、横谷尚睦
  • 学会等名: 第65回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] TiO2-VO2系スピノーダル分解における速度論 (2017)
  • 著者名/発表者名: 村岡祐治、尾形誠、門脇賢司、井尻正孝、竹元嘉利、寺嶋健成、脇田高徳、横谷尚睦
  • 学会等名: 応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
• [学会発表] サファイア基板上へのTiO2-VO2系スピノーダル分解膜の作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 村岡祐治、松浦由佳、門脇賢司、井尻正孝、竹元嘉利、寺嶋健成、脇田高徳、横谷尚睦
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [備考] Okayama University e-Bulletin
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/user/kouhou/ebulletin/research_highlights/vol25/highlights_002.html
• [備考] 岡山大学理学部附属界面科学研究施設 薄膜物性学研究室
  • URL: https://film.rlss.okayama-u.ac.jp/
• [備考] 岡山大学理学部附属界面科学研究施設 薄膜物性学研究室
  • URL: http://film.rlss.okayama-u.ac.jp/