スズ・ニクタイド層状化合物の精密合成と多機能発現に向けた物性解明

• 研究課題/領域番号: 19K15291
• 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: 東京都立大学
• 研究代表者: 後藤 陽介 東京都立大学, 理学研究科, 助教 (60760783)
• 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: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 超伝導 / 熱電変換 / エネルギー材料 / 熱電変換材料 / 結晶構造解析 / 電子構造 / リチウムイオン二次電池 / 層状化合物 / ニクタイド / 層状物質

研究開始時の研究の概要

本研究では、SnPn伝導層を含む一連の化合物を、超伝導をはじめ、トポロジカル物性、熱電変換などの多様な機能が発現する新しい機能性物質群として捉え、その物質開発および物性解明を行う。特に、化学組成、結晶構造などの精密制御を通じて、これらの物理現象や機能が、互いに相関し、さらには相乗的に発現することを見出すことを目的とする。

研究成果の概要

スズ・ニクタイド層を伝導層とする層状化合物の機能性開拓に関する研究を実施した。化学組成制御によりNaSn2As2超伝導体の転移温度が2.0 Kまで上昇することを明らかにした。また、p型・n型が共存するNaSn2As2配向多結晶の作製に成功し、熱電変換への応用可能性を示した。新物質Li1-xSn2-xP2を合成し、単粒子電気化学測定によりリチウムイオン二次電池の負極材料として活性を示すことを明らかにした。
以上のように、層状スズ・ニクタイドが超伝導、熱電変換、電極材料として興味深い多様な機能を示す物質群であ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

多様な機能が発現する新物質の開発は材料科学の発展に重要な寄与を果たしてきた。我々はスズ・ニクタイド伝導層を有する新しい超伝導体（NaSn2As2やNa1-xSn2P2）を世界に先駆けて報告してきた（J. Phys. Soc. Jpn. 2017, Sci. Rep. 2018など）。本研究では、層状スズ・ニクタイドの構成元素、電子状態の制御により新しい機能発現を目的とした。結果として、超伝導転移温度の上昇のみならず、熱電変換、リチウムイオン二次電池への応用といった観点からも興味深い物質を開発することに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Thermoelectric Properties of the As/P-Based Zintl Compounds EuIn2As2?xPx (x = 0?2) and SrSn2As2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki Keisuke、Goto Yosuke、Hoshi Kazuhisa、Kiyama Ryosuke、Nakamura Naoto、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Usui Hidetomo、Mizuguchi Yoshikazu
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 未発行 号: 5 ページ: 5155-5164
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c00687
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Axis-dependent carrier polarity in polycrystalline NaSn2As2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Naoto、Goto Yosuke、Mizuguchi Yoshikazu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 号: 15 ページ: 153903-153903
  • DOI: 10.1063/5.0047469
  • 査読あり
• [雑誌論文] The crystal structure and electrical/thermal transport properties of Li1?xSn2+xP2 and its performance as a Li-ion battery anode material (2021)
  • 著者名/発表者名: Goto Yosuke、Nakanishi Shota、Nakai Yusuke、Mito Takeshi、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Usui Hidetomo、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Nakacho Yoshifumi、Yamada Yuto、Kanamura Kiyoshi、Mizuguchi Yoshikazu
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 号: 11 ページ: 7034-7041
  • DOI: 10.1039/d0ta11045k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal Structure and Thermoelectric Transport Properties of As-Doped Layered Pnictogen Oxyselenides NdO0.8F0.2Sb1?xAsxSe2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Morino Kota、Goto Yosuke、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Mizuguchi Yoshikazu
  • 雑誌名: Materials 巻: 13 号: 9 ページ: 2164-2164
  • DOI: 10.3390/ma13092164
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced superconductivity in the layered pnictogen diselenide NdO0.8F0.2Sb1－xBixSe2 (x=0.3 and 0.7) (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Matsumoto, Y. Goto, S. Yamamoto, K. Sudo, H. Usui, A. Miura, C. Moriyoshi, Y. Kuroiwa, S. Adachi, T. Irifune, H. Takeya, H. Tanaka, K. Kuroki, Y. Mizuguchi, and Y. Takano
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 100 号: 9 ページ: 094528-094528
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.094528
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced superconductivity by Na doping in SnAs-based layered compound Na1+x Sn2?x As2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuwen Hao、Goto Yosuke、Jha Rajveer、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Mizuguchi Yoshikazu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: 8 ページ: 083001-083001
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab2eb1
  • NAID: 210000156777
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Doping-Induced Polymorph and Carrier Polarity Changes in Thermoelectric Ag(Bi,Sb)Se2 Solid Solution (2019)
  • 著者名/発表者名: Sudo Kenta、Goto Yosuke、Sogabe Ryota、Hoshi Kazuhisa、Miura Akira、Moriyoshi Chikako、Kuroiwa Yoshihiro、Mizuguchi Yoshikazu
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 号: 11 ページ: 7628-7633
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b01038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature dependent local atomic displacements in NaSn2As2 system (2019)
  • 著者名/発表者名: Pugliese G M、Stramaglia F、Goto Y、Terashima K、Simonelli L、Fujiwara H、Puri A、Marini C、Hacisalihoglu M Y、d’Acapito F、Yokoya T、Mizokawa T、Mizuguchi Y、Saini N L
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 31 号: 42 ページ: 425402-425402
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab2bd4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 多結晶NaSn2As2の異方的なキャリア極性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村 尚人, 後藤 陽介, 水口 佳一
  • 学会等名: 日本物理学会2021年春季大会
• [学会発表] Layered tin pnictides as a new class of van der Waals-type superconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Goto
  • 学会等名: Materials Research Meeting, Yokohama
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Superconductivity in layered tin pnictides with a van der Waals-type structure (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Goto
  • 学会等名: The 32nd International Symposium of Superconductivity, Kyoto
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Superconductivity in layered tin pnictides (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Goto and Y. Mizuguchi
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems, Okayama
  • 国際学会
• [産業財産権] 異方性多結晶体及びその製造方法 (2020)
  • 発明者名: 後藤陽介、水口佳一、中村尚人
  • 権利者名: 後藤陽介、水口佳一、中村尚人
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2020