| 研究課題/領域番号 |
21K04636
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
矢島 健 東京大学, 物性研究所, 助教 (10597800)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 超イオン伝導体 / 単結晶 / 結晶構造解析 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
超イオン伝導体では古典的な単一イオンのホッピングによる伝導ではなく、キャリアイオン同士の相関に基づく協奏的な伝導がメカニズムとして考えられている。高いイオン伝導率を実現するためにはイオン相関を適切な大きさに制御することが必要であることが近年分かってきたが、その制御方法は自明ではない。本研究では、超イオン伝導体の単結晶を育成し、組成や結晶構造がイオン相関に対して与える影響を調べ、イオン相関の最適な制御方法を探るとともに、超イオン伝導体のイオニクスに対する包括的な理解を目指す。
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| 研究実績の概要 |
超イオン伝導体では、高濃度に含まれるキャリアイオンが古典的な単一イオンホッピングではなく、キャリアイオン同士の相関による協奏的な伝導を起こすことによって高いイオン伝導率が実現していると考えられている。我々はこれまでリチウム超イオン伝導体の単結晶を用いた研究から、このようなキャリアイオン同士の相関が必ずしもイオン伝導によい影響を与えるとは限らないことを発見し、適切な大きさのイオン相関を持たせることが重要であることを明らかにしてきた。しかしながら、イオン相関を適切に制御する方法は自明ではない。本研究では最適なイオン相関の制御方法を探るべく、温度や組成の変化が超イオン伝導体のイオン相関に与える影響を、大型単結晶試料の育成、精密結晶構造解析などを通じて明らかにすることを目的としている。これにより、超イオン伝導体のイオニクスに対する包括的な理解へと繋がることが期待される。
本研究では、上記目的を達成するためのモデル物質として現在最高のイオン伝導率を有するリチウム超イオン伝導体Li10GeP2S12(LGPS)を採用した。リチウム超イオン伝導体においてキャリアイオンであるリチウムは、アニオンからなる結晶骨格の中を伝導する。よって周囲の骨格組成の変化、つまりアニオン置換はイオン伝導に対して多大な影響を及ぼすと考えられ、イオン相関を制御する方法として有効であると予想される。そこでLGPSのアニオン置換体の単結晶育成を試みた結果、微小ではあるが単結晶を得ることに成功した。さらに育成条件などを検討することにより、大型の単結晶が得られるようになってきた。ただし結晶の大型化に伴い、結晶の質が低下していることがわかったため、さらに育成条件を検討し純良化した後、結晶構造解析など次のステップへと進む。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
アニオン無置換のLGPSと比べ、アニオン置換したLGPSは構成元素が増えることにより、無置換の場合と比べて、育成条件の変化、結晶生成の有無、結晶のサイズ、結晶の品質など様々な影響が現れる。そのため、無置換のLGPSとはやや異なる最適化した育成条件を発見することが重要である。これまでの結果、育成条件の最適化によって大型の単結晶が生成する条件を見出すことはできた。ただし、大型化に伴い品質の低下が見られたことから、高品質化に向けて引き続き育成条件を検討することが必要である。その後、結晶構造解析等を行うことで、超イオン伝導体のイオン相関の制御方法に対する新たな知見を得ることが可能であることから、本研究は概ね順調に進捗していると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、大型純良単結晶を用いることが必須であることから、その育成に注力している。これまでに大型化は比較的成功しており、今後は結晶の純良化が求められる。一般に結晶品質は結晶育成の時間を延ばすなどによって改善することが多いことから、比較的早い段階で高品質な単結晶を得られると想定している。LGPSではリチウムイオンが多くの結晶学的サイトに分布しており、またアニオンサイトも複数種ある。そこでアニオン置換LGPS単結晶では、結晶構造解析によりリチウムイオンや置換したアニオンの分布を調べ、イオン伝導率測定の結果と組み合わせることで、アニオン置換がイオン相関に与えた影響を評価する。
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