希土類酸水素化物薄膜のフォトクロミック特性を活用した光照射電気磁気スイッチング

• 研究課題/領域番号: 19H02596
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 清水 亮太 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (70611953)
• 研究分担者: 関場 大一郎 筑波大学, 数理物質系, 講師 (20396807)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2019年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
• キーワード: 薄膜物性 / 複合アニオン化合物 / 光物性 / 電子物性 / 電気化学 / 金属水素化物 / エピタキシャル成長 / 光・電子物性 / 水素化物薄膜物性 / 光誘起物性

研究開始時の研究の概要

イットリウム酸水素化物薄膜において光照射による可逆的な5桁の抵抗変化を見出し、新奇光センサや抵抗・磁気メモリの応用を目指している。次なるステップとして、本研究では希土類酸水素化物における多機能なフォトクロミック素子応用を志向し、「光キャリア生成機構と磁気特性の解明」、「可逆的な透過・反射特性および金属化」「強磁性化」の実現を目指す。

研究成果の概要

本研究では、フォトクロミズムを示す希土類酸水素化物のエピタキシャル薄膜化に初めて成功し、世界初の「光誘起の絶縁体から金属へのスイッチングと、任意のタイミングによる熱緩和による再絶縁化」を実現した。この機構を解明するために、高分解能な組成分析・構造解析やスパースモデリングを用いた機械学習解析などを駆使して構造モデルを構築し、理論計算による解析を行った。その結果、過剰水素の光誘起による特異な振る舞いにより、電子キャリアの生成と遍歴化の機構を見出した。このように、水素の特異な状態に起因した機能発現を明らかにすることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光による絶縁体から金属へのスイッチングを繰り返し行った例は、どの物質においても世界で初めての成果である(プレスリリース済み)。未発表ではあるが、任意のタイミングにおける絶縁化の時間短縮にも成功しており、スマートウィンドウや光センサ・光メモリ応用につながる画期的な成果である。

研究成果

• [雑誌論文] Repeatable Photoinduced Insulator-to-Metal Transition in Yttrium Oxyhydride Epitaxial Thin Films (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Komatsu, Ryota Shimizu, R. Sato, M. Wilde, K. Nishio, T. Katase, D. Matsumura, H. Saitoh, M. Miyauchi, J. R. Adelman, R. M. L. McFadden, D. Fujimoto, J. O. Ticknor, M. Stachura, I. McKenzie, G. D. Morris, W. A. MacFarlane, J. Sugiyama, K. Fukutani, S. Tsuneyuki, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 34 号: 8 ページ: 3616-3623
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03450
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bayesian sparse modeling of extended X-ray absorption fine structure to determine interstitial oxygen positions in yttrium oxyhydride epitaxial thin film (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kumazoe, Yasuhiko Igarashi, Fabio Iesari, Ryota Shimizu, Yuya Komatsu, Taro Hitosugi, Daiju Matsumura, Hiroyuki Saitoh, Kazunori Iwamitsu, Toshihiro Okajima, Yoshiki Seno, Masato Okada, Ichiro Akai
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 号: 12 ページ: 125013-125013
  • DOI: 10.1063/5.0071166
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 金属水素化物エピタキシャル薄膜の成長と電子物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水 亮太、大口 裕之、一杉 太郎
  • 雑誌名: 応用物理 巻: 89 号: 1 ページ: 20-24
  • DOI: 10.11470/oubutsu.89.1_20
  • NAID: 130007783795
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • 年月日: 2020-01-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polarity reversal of the charge carrier in tetragonal TiHx(x=1.6-2.0) at low temperatures (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Ryota、Sasahara Yuki、Hamada Ikutaro、Oguchi Hiroyuki、Ogura Shohei、Shirasawa Tetsuroh、Kitamura Miho、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Orimo Shin-ichi、Fukutani Katsuyuki、Hitosugi Taro
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 0334671-9
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033467
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epitaxial Thin Film Growth of Europium Dihydride (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuya Komatsu, Ryota Shimizu, Markus Wilde, Shigeru Kobayashi, Yuki Sasahara, Kazunori Nishio, Kei Shigematsu, Akira Ohtomo, Katsuyuki Fukutani, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: Cryst. Growth Des. 巻: 20 号: 9 ページ: 5903-5903
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.0c00602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of Surface Roughness on Recrystallization of an α-Al2O3(001) Single Crystal to α-AlO(OH) Diaspore Microcrystals (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sasahara, Koki Kanatani, Masayuki Matsuhisa, Yuji Wada, Ryota Shimizu, Norimasa Nishiyama, and Taro Hitosugi
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 5 号: 37 ページ: 23520-23523
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c01376
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metal Hydrides: Epitaxial Growth and Electronic Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Ryota、Oguchi Hiroyuki、Hitosugi Taro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 5 ページ: 051012-051012
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.051012
  • NAID: 210000158109
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Epitaxial Growth of Single-Phase Magnesium Dihydride Thin Films (2019)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Ryota、Kakinokizono Takuya、Gu Igseon、Hitosugi Taro
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 号: 22 ページ: 15354-15358
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02399
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] MRS-Japan Physical properties control in metal hydride epitaxial thin films by tuning c harge state in hydrogen (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryota Shimizu Yuya Komatsu, Seoungmin Chon, and Taro Hitosugi
  • 学会等名: Materials Research Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Photo-induced hydrogen diffusion in yttrium oxy-hydride epitaxial thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuya Komatsu, Jun Sugiyama, Ryota Shimizu, Kazunori Nishio, Masahiro Miyauchi, Markus Wilde, Katsuyuki Fukutani, Ryan McFadden, Martin Dehn, Victoria Karner, Derek Fujimoto, John Ticknor, Aris Chatzichristos, Monika Stachura, David Cortie, Gerald Morris, Dr. Iain McKenzie, W MacFarlane, Taro Hitosugi
  • 学会等名: Pacifichem2021
  • 国際学会
• [学会発表] Repeatable photo-induced insulator-to-metal transition in YOxHy epitaxial thin films (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuya Komatsu, Ryota Shimizu, Ryuhei Sato, Markus Wilde, Kazunori Nishio, Daiju Matsumura, Hiroyuki Saitoh, Katsuyuki Fukutani, Shinji Tsuneyuki, Taro Hitosugi
  • 学会等名: Materials Research Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] NaOH水溶液中電場印加によるYOxHy薄膜の金属-絶縁体転移 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小松 遊矢, 清水 亮太, ビルデ マーカス, 西尾 和記, 福谷 克之, 一杉 太郎
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Selective fabrication of Ca2NH epitaxial thin films using magnetron sputtering system (2021)
  • 著者名/発表者名: Seoungmin Chon, Shigeru Kobayashi, Kazunori Nishio, Ryota Shimizu, Taro Hitosugi
  • 学会等名: 日本化学会春季年会 第101回春季大会
• [学会発表] イッテルビウム水素化物薄膜のエピタキシャル成長と電気・光学特性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 邱 天裕, 小松 遊矢, 清水 亮太, ビルデ マーカス, 福谷 克之, 一杉 太郎
  • 学会等名: 応用物理学会 第68回 春季学術講演会
• [学会発表] YOxHyエピタキシャル薄膜の光誘起絶縁体-金属転移における水素の寄与 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小松 遊矢, 清水 亮太, 佐藤 龍平, ビルデ マーカス, 西尾 和記, 松村 大樹, 齋藤 寛之, 福谷 克之, 常行 真司, 一杉 太郎
  • 学会等名: 応用物理学会 第68回 春季学術講演会
• [学会発表] 高圧相α-PbO2型TiO2エピタキシャル薄膜の高圧合成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笹原 悠輝, 金谷 航葵, 遊馬 博明, 西尾 和記, 清水 亮太, 西山 宣正, 一杉 太郎
  • 学会等名: 強的秩序とその操作に関わる第12回講演会
• [学会発表] 金属水素化物薄膜における水素の荷電状態変化と電子・イオン物性制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太, 一杉太郎
  • 学会等名: 第46回 固体イオニクス討論会
  • 招待講演
• [学会発表] AIとロボットを導入した自律的無機材料合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 第30回MRS-J年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] イットリウム酸水素化物薄膜成長と光誘起絶縁体－金属転移 (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] AI-ロボット合成システムの導入による無機薄膜材料研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水 亮太
  • 学会等名: ISSP Workshop 次世代放射光への イノベーション
  • 招待講演
• [学会発表] イットリウム酸水素化物薄膜成長と光誘起絶縁体―金属転移 (2020)
  • 著者名/発表者名: 清水 亮太
  • 学会等名: 第75回日本物理学会年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 金属水素化物薄膜の水素組成制御と物性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 亮太
  • 学会等名: 新学術領域「ハイドロジェノミクス」第4回若手育成スクール
  • 招待講演
• [学会発表] AI-Robot システムを導入した無機固体材料研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 亮太
  • 学会等名: JSTさきがけ「マテリアルズインフォ」第3回公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Epitaxial growth of metal hydride thin films and their unique physical properties (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryota Shimizu
  • 学会等名: The 5th Japan-Korea Joint Symposium on Hydrogen in Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 金属水素化物のエピタキシャル成長と電子物性制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水 亮太
  • 学会等名: 第2回ハイドロジェノミクス研究会
  • 招待講演
• [図書] “水素”を使いこなすためのサイエンス ハイドロジェノミクス (2022)
  • 著者名/発表者名: 折茂 慎一・福谷 克之・藤田 健一編著
  • 総ページ数: 224
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 9784320044982
• [図書] 人と共生するAI革命 ～活用事例からみる生活・産業・社会の未来展望～ 「AIとロボットを融合した全自動システムによる機能性薄膜創製」部 分担執筆 (2019)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太、一杉太郎
  • 総ページ数: 480
  • 出版者: (株) エヌ・ティー・エス