二重K2NiF4型酸化物におけるカチオンオーダーと物性

• 研究課題/領域番号: 19K15280
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分26020:無機材料および物性関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 山本 孟 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (50827045)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2019年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 金属間電荷移動 / 電子軌道秩序 / 構造相転移 / 磁気相転移 / カチオンオーダー / 超高圧合成 / 強誘電体 / 磁性体 / 固溶体 / ペロブスカイト型構造 / 軌道秩序 / K2NiF4型構造 / ペロブスカイト関連構造 / 磁性 / 電子状態 / 二重K2NiF4型構造 / 電子構造

研究開始時の研究の概要

結晶において、ある1つのサイトに2種類の異なるイオンが占めた際にこれらが規則的に配列（オーダーという）することがある。オーダーの有無によって、その物質が示す磁性や電気特性などの物性は大きく変化する。本研究では、銅系高温超伝導体の母構造と同じK2NiF4型構造における、遷移金属イオンのオーダーと物性に注目した研究を行う。具体的には今までに合成が報告されていない、(La1/2Sr1/2)4MnNiO8 や La1/2Sr1/2)4MnNiO8が示す二次元的な強磁性や、Sr4CoNbO8やSr4CoTaO8、Sr4MnNbO8やSr4MnTaO8における特異な電子状態についての詳細を明らかにする。

研究成果の概要

異なるカチオンを組み合わせて交互に配列させることで，新たな電子物性を生み出すことを目指した。特に本研究では，K2NiF4型構造およびその類縁構造であるペロブスカイト型構造における、カチオンオーダーやカチオンの組み合わせが生み出す新たな電子状態に着目した物性と機能に関する研究を行った。これらの研究を通して、次の2つの主な発見があった。①(1-x)PbVO3-xBiCoO3における金属間の電荷移動に起因した極性構造制御、② CaMn1-SbxO3における温度変化だけで磁化反転する現象 を発見した。本研究を通じて、元素を巧みに並べることで、新しい電子物性や現象の舞台を作れることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究課題では、アクチュエータや振動発電、巨大負熱膨張材料への応用が期待される極性構造制御や次世代の磁気記憶素子やセンサへの応用が期待される温度による自発磁化方向制御など、カチオンオーダーやカチオンの組み合わせが生み出す新たな電子状態という基礎学術的な事象に注目しつつも、実社会への応用可能性を持つ発見をすることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Reversible thermally controlled spontaneous magnetization switching in perovskite-type manganite (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hajime、Sekikawa Satoru、Taniguchi Haruka、Matsukawa Michiaki、Shigematsu Kei、Honda Takashi、Yamauchi Kunihiko、Ikeda Kazutaka、Otomo Toshiya、Sakakura Terutoshi、Azuma Masaki、Nimori Shigeki、Noda Yukio、Kimura Hiroyuki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 号: 11 ページ: 112404-112404
  • DOI: 10.1063/5.0017506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of a Cubic Phase Stabilized by Intermetallic Charge Transfer in (1-x)PbVO3-xBiCoO3 Solid Solutions (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hajime、Toda Kaoru、Sakai Yuki、Nishikubo Takumi、Yamada Ikuya、Shigematsu Kei、Azuma Masaki、Sagayama Hajime、Mizumaki Masaichiro、Nitta Kiyofumi、Kimura Hiroyuki
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 32 号: 16 ページ: 6892-6897
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c01934
  • 査読あり
• [学会発表] ペロブスカイト型マンガン酸化物における温度変化に伴うリバーシブルな自発磁化反転現象の発見とその原理の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本孟, 関川曉, 谷口晴香, 松川倫明, 重松圭, 本田孝志, 山内邦彦, 池田一貴, 大友季哉, 坂倉輝俊, 東正樹, 二森茂樹, 野田幸男, 木村宏之
  • 学会等名: 日本中性子科学会年会
• [学会発表] PbVO3-BiCoO3固溶体における金属間電荷移動に伴う結晶構造変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 戸田薫, 山本孟, 酒井雄樹, 西久保匠, 山田幾也, 重松圭, 東正樹, 佐賀山基, 水牧仁一朗, 新田清文, 木村宏之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] ペロブスカイト型CaMn1-xSbxO3の磁化反転起源の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 関川曉、山本孟、木村宏之、谷口晴香、松川倫明、東正樹、石井祐太、佐賀山基、本田孝志、大友季哉、山内邦彦
  • 学会等名: 2019年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] ペロブスカイト型酸化物 (1-x)PbVO3-xBiCrO3 固溶体の結晶構造変化と金属間電荷移動 (2020)
  • 著者名/発表者名: 相澤遥奈、山本孟、戸田薫、山田幾也、野島勉、東正樹、酒井雄樹、西久保匠、木村宏之
  • 学会等名: 日本高圧力学会第61回高圧討論会
• [学会発表] PbVO3-BiCoO3 固溶体の金属間電荷移動による極性構造の制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 戸田薫、山本孟、酒井雄樹、西久保匠、山田幾也、重松圭、東正樹、佐賀山基、水牧仁一朗、新田 清文、木村 宏之
  • 学会等名: 日本高圧力学会第61回高圧討論会
• [学会発表] 岡山県布賀に産出する逸見石の水素結合ネットワークと量子スピン揺らぎ (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本 孟, 坂倉 輝俊, JESCHKE O. Harald, 壁谷 典幸, 落合 明, 岸本 俊二, 佐賀山 基, 相澤 遥奈, 関根 大輝, 松原 正和, 重松 圭, 東 正樹, 野田 幸男, 石川 裕也, 藤井 裕, 木村 宏之
  • 学会等名: 日本高圧力学会第61回高圧討論会
• [学会発表] 岡山県布賀鉱山に産出する逸見石における非極性-極性構造相転移と二次元反強磁性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本孟、坂倉輝俊、木村宏之、野田幸男、岸本俊二、佐賀山基、松原正和、関根大輝、壁谷典幸、落合明
  • 学会等名: 2019年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Bサイト置換による電子ドープをしたK2NiF4型Mn酸化物の合成と物性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 榎吉淳・木村宏之・山本孟
  • 学会等名: 第9回CSJ化学フェスタ2019
• [備考] 金属イオン間の電子の授受で極性構造を制御 強誘電体・圧電体材料や負熱膨張材料の開発に新しい知見
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/08/press20200825-02-ion.html