応力を利用した新規強磁性ユウロピウム化合物の開拓と巨大磁気異方性の創発

• 研究課題/領域番号: 21K05227
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分36010:無機物質および無機材料化学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 高津 浩 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60585602)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: EuVO2H / 磁気異方性 / 応力 / トポケミカル反応 / XAS / XMCD / 薄膜合成 / 高圧実験 / 巨大磁気異方

研究開始時の研究の概要

従来、ユウロピウム化合物では磁気異方性が無いことが定説とされてきたが、我々が新しく開発した新物質のEuVO2Hではネオジム磁石に匹敵する巨大な磁気異方性をもつという、これまでの常識にはない新しい現象を発見した。本研究では、この発見を大きく拡張し、(1)EuVO2Hにおける新奇な磁気異方性のメカニズムの解明と、(2)巨大磁気異方性をもつユウロピウム化合物の探索拡大の2つの目標に挑戦する。我々独自のテーマで、「巨大磁気異方性をもったユウロピウム化合物」という新しい枠組みを開拓する。

研究成果の概要

酸素層と水素層が交互積層するEuVO2Hがネオジム磁石に匹敵する巨大な垂直磁気異方性を示すことに着目し、その起源の解明を目指して研究に取り組んだ。様々な膜厚の薄膜や粉末試料の高圧実験を多角に行い、磁気異方性発現には、Eu2+とV3+の間で電荷移動が重要となることを明らかにした。また、このサイト間電荷移動を活用し、同価数元素置換からキャリア制御できることも見出した。通常の酸化物では困難であった3dバンドと4fバンドを独立制御する指針となる。固体化学の潮流にある「トポケミカル反応」に、「基板応力」や「外部圧力」を組み合わせることで、新しい構造、組成、概念を秘めた新しい機能性シーズ材料を開拓した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ユウロピウム化合物では磁性を担うEu2+の軌道角運動量がゼロ（L = 0）であるため、これまで、磁気異方性を示さないことが一般的であった。本研究の遂行によりEuVO2Hの巨大な垂直磁気異方性の発現メカニズムが明らかになったことは、磁性研究の新しい一面を拓くことにつながるため、学術的に重要な成果である。ここで得られた知見、すなわち、サイト間の電荷移動を通じた磁気異方性の増強やキャリア制御により、レアエレメントからの脱却など、人類の持続性確保に貢献する機能性材料の開発へつなげていくことが期待できるため、社会的にも意義が深い研究と考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Universidad Complutense de Madrid/Universidad de Zaragoza(スペイン)
• [国際共同研究] NIST(米国)
• [国際共同研究] Universite de Rouen Normandie/Universite de Rennes(フランス)
• [国際共同研究] 東京大学/大阪大学(日本)
• [雑誌論文] Intersite Charge Transfer through Eu 4f Band Engineering in Eu_1?<i>x</i>Sr_<i>x</i>VO₂H Oxyhydride Films (2024)
  • 著者名/発表者名: Namba Morito、Takatsu Hiroshi、Murayama Kantaro、Shibazaki Yuki、Ishimatsu Naoki、Ubukata Hiroki、Terada Ryo、Yoshimura Noriyuki、Kawanishi Shohei、Terashima Takahito、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 36 号: 8 ページ: 3918-3924
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.4c00404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pure Fluorine Intercalation into Brownmillerite Oxide Thin Films by Using Ionic Liquid Gating (2024)
  • 著者名/発表者名: Namba Morito、Takatsu Hiroshi、Li Hao-Bo、Murayama Kantaro、Terada Ryo、Yang Qian、Terashima Takahito、Ohta Hiromichi、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 36 号: 4 ページ: 2076-2084
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c03178
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Perpendicular Magnetic Anisotropy Induced by an Intersite Charge Transfer in Strained EuVO₂H Films (2023)
  • 著者名/発表者名: Namba M., Takatsu H., Mikita R.,Sijia Y., Murayama K., Li H.-B., Terada R., Tassel C., Ubukata H., Ochi M., Saez-Puche R., Latasa E. P., Ishimatsu N., Shiga D., Kumigashira H., Kinjo K., Kitagawa S., Ishida K., Terashima T., Fujita K., Mashiko T., Yanagisawa K., Kimoto K., Kageyama H.
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 号: 40 ページ: 21807-21816
  • DOI: 10.1021/jacs.3c04521
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Single-crystal thin film growth of the Mott insulator EuVO3 under biaxial substrate strain (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Takatsu, M. Namba, T. Terashima, and H. Kageyama
  • 雑誌名: J. Cryst. Growth 巻: 593 ページ: 126752-126752
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2022.126752
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical Pressure Effect on Structural and Physical Properties of 15R-SrVO2.2N0.6 with Anion-Vacancy Order (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Murayama, H. Takatsu (責任著者), M. Ochi, M. Namba, K. Kuroki, and Hiroshi Kageyama (責任著者)
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 91 号: 6
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.064805
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-Assisted Topochemical Synthesis of La-Doped SrVO₂H Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsu Hiroshi、Ochi Masayuki、Namba Morito、Li Haobo、Daniel Aurelien、Terashima Takahito、Kuroki Kazuhiko、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Crystal Growth &amp; Design 巻: 21 号: 7 ページ: 3779-3785
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00098
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dehydration of Electrochemically Protonated Oxide: SrCoO2 with Square Spin Tubes (2021)
  • 著者名/発表者名: Li Hao-Bo、Kobayashi Shunsuke、Zhong Chengchao、Namba Morito、Cao Yu、Kato Daichi、Kotani Yoshinori、Lin Qianmei、Wu Maokun、Wang Wei-Hua、Kobayashi Masaki、Fujita Koji、Tassel Cedric、Terashima Takahito、Kuwabara Akihide、Kobayashi Yoji、Takatsu Hiroshi、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 143 号: 42 ページ: 17517-17525
  • DOI: 10.1021/jacs.1c07043
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Universal Dynamics of Magnetic Monopoles in Two-Dimensional Kagome Ice (2021)
  • 著者名/発表者名: Takatsu Hiroshi*、Goto Kazuki、Sato Taku J.、Lynn Jeffrey W.、Matsubayashi Kazuyuki、Uwatoko Yoshiya、Higashinaka Ryuji、Matsuhira Kazuyuki、Hiroi Zenji、Kadowaki Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 12
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.123705
  • NAID: 40022774042
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin Frustration in Protonated Rutile Oxides (2021)
  • 著者名/発表者名: Takaoka Kazuki、Namba Morito、Li Haobo、Ishida Kodai、Takatsu Hiroshi*、Kageyama Hiroshi*
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 号: 8 ページ: 084703-084703
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.084703
  • NAID: 210000159182
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 金属と絶縁体における極性非極性転移 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村山寛太郎, 増木亮太, 高津浩, Tassel Cedric, 酒井英明, Gu Xiangyu, 石田耕大, Denisova Ksenia, Dupray Valerie, Clevers Simon, 野本拓也, 只野央将, Lemmens Peter, 有田亮太郎, 陰山洋
  • 学会等名: 第6回固体化学フォーラム研究会
• [学会発表] 金属および絶縁体における極性非極性転移 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村山寛太郎, 増木亮太, 高津浩, Tassel Cedric, 酒井英明, Gu Xiangyu, 石田耕大, Denisova Ksenia, Dupray Valerie, Clevers Simon, 野本拓也, 只野央将, Lemmens Peter, 有田亮太郎, 陰山洋
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Lanthanum Nitride-Hydride with Anion Layered Ordering (2024)
  • 著者名/発表者名: Zefeng Wei, Hiroki Ubukata, Mari Einaga, Dilip Bhoi, Daichi Kato, Kantaro Murayama, Hiroshi Takatsu, Yu Cao, Cedric Tassel, Yoshiya Uwatoko, Katsuya Shimizu, Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International Core-to-Core Symposium on Mixed-Anion Compounds 2024
• [学会発表] 磁化測定とXMCD測定で明らかにする新規酸水素化物EuVO2Hの巨大垂直磁気異方性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩, 難波 杜人, 村山 寛太郎, 寺田 凌, 越智 正之, 寺嶋 孝仁, 陰山 洋
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] X-ray Fluorescence and Photoelectron Holography Experiments for Valence-Selective Structural Analysis of a Novel Layered Oxyhydride with Inter-Site Charge Transfer (2023)
  • 著者名/発表者名: Morito Namba, Hiroshi Takatsu, Koji Kimura, Kantaro Murayama, Ryo Terada, Yusuke Hashimoto, Naohisa Happo, Halubai Sekhar, Hiroo Tajiri, Tomohiro Matsushita, Koichi Hayashi and Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International conference on complex orders in condensed matter (ICCOCM)
  • 国際学会
• [学会発表] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: 超秩序構造科学 第5回成果報告会
• [学会発表] 水素複合化による新しいセラミックス材料の開発と新機能の探求 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会シンポジウム「T10 水素化物の研究最前線～物質開発と機能の現状・課題・展望～」
  • 招待講演
• [学会発表] 水素が含まれた新しいセラミックス材料の開発とマテリアルイノベーション (2023)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: 京都大学-企業間ワークショップ(若手研究者産学連携ワークショップ)：Fostering桂
  • 招待講演
• [学会発表] Chemical Pressure Effects on 15R-SrVO2.2N0.6 with Anion-Vacancy Order (2023)
  • 著者名/発表者名: Kantaro Murayama, Hiroshi Takatsu, Masayuki Ochi, Morito Namba, Kazuhiko Kuroki, Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International Collaboration Meeting on Mixed-Anion Compounds
• [学会発表] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: 超秩序構造科学 第4回成果報告会
• [学会発表] 水素複合化による新しいセラミックス材料の開発と新機能の探求 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: 第5回ハイドロジェノミクス研究会
• [学会発表] 水素をつかった新しいセラミックス材料の開発と機能の探求 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: KEK物構研・ミュオンS型課題/CIQuS研究会「無機材料中の水素の存在状態と機能発現」
  • 招待講演
• [学会発表] 圧力で拓く負電荷水素(ヒドリド)をふくむ新しい層状酸化物 ～新物質合成と新物性探求～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: SPring-8/SPRUC地球惑星科学研究会および高圧物質科学研究会合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 蛍光X線/光電子ホログラフィーによる酸水素化物の価数選択的局所構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 難波 杜人, 高津 浩, 木村 耕治, 橋本 由介, 八方 直久, 村山 寛太郎, 寺田 凌, 寺嶋 孝仁, 松下 智裕, 林 好一, 陰山洋
  • 学会等名: 2022年日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 高圧下におけるEu1-xSrxVO2Hの異方的格子圧縮 (2022)
  • 著者名/発表者名: 難波 杜人, 高津 浩, 村山 寛太郎, 柴崎 祐樹, 寺嶋 孝仁, 陰山 洋
  • 学会等名: 2022年 第83回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] イオン液体ゲート(ILG)を用いたYBa2Cu3O7-x薄膜へのフッ素挿入 (2022)
  • 著者名/発表者名: 寺田 凌, 難波 杜人, 村山 寛太郎, 高津 浩, 寺嶋 孝仁, 陰山 洋
  • 学会等名: 2022年 第83回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] アニオン欠損秩序を持つ二次元構造15R-SrVO2.2N0.6に対する化学圧力の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村山 寛太郎, 高津 浩, 越智 正之, 難波 杜人, 黒木 和彦, 陰山 洋
  • 学会等名: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Effects of chemical pressure on the two-dimensional structural 15R-SrVO2.2N0.6 with anion-vacancy sequence (2022)
  • 著者名/発表者名: Kantaro Murayama, Hiroshi Takatsu, Morito Namba, Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: 国際学会IUMRS-ICMRS 2022
• [学会発表] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: 超秩序構造科学 第3回成果報告会
• [学会発表] 酸水素化物EuVO2Hにおける圧力誘起サイト間電荷移動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 難波 杜人, 高津 浩, 三木田 梨歩, Haobo Li, 村山 寛太郎, 寺田 凌, 陰山 洋
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 基板依存性を有するSrVO2H 薄膜の中間相 (2022)
  • 著者名/発表者名: 難波杜人, 高津浩, 近松彰, Haobo Li, 丸山敬裕, 長谷川哲也, 寺嶋孝仁, 陰山洋
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 Annual meeting 2022
• [学会発表] 極性金属と極性絶縁体の間における固溶体合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村山 寛太郎, 石田 耕大, Cedric Tassel, Xiangyu Gu, 高津浩, 陰山洋, 有田亮太郎, Craig M. Brown, Valerie Dupray, Simon Clevers, 酒井英明
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 Annual meeting 2022
• [学会発表] Strain-Assisted Topochemical Synthesis of La-Doped SrVO2H Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Takatsu, Masayuki Ochi, Morito Namba, Haobo Li, Aurelien Daniel, Takahito Terashima, Kazuhiko Kuroki, and Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • 国際学会
• [学会発表] 応力を用いた酸素空孔相の制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩
  • 学会等名: 超秩序構造科学 第2回成果報告会
• [学会発表] Ca substitution effect in the two-dimensional electron system SrVO2.2N0.6 with superlattices of anion vacancy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kantaro Murayama, Morito Namba, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • 国際学会
• [学会発表] SrCoO2.5F0.5 Thin Films Synthesized by the Ionic-Liquid-Gating Fluorine Insertion (2021)
  • 著者名/発表者名: Morito Namba, Haobo Li, Takahito Terashima, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • 国際学会
• [学会発表] Single crystal growth of highly electron doped TaON (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohdai Ishida, Cedric Tassel, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International Conference on Mixed-Anion Compounds（ICMAC）
  • 国際学会
• [学会発表] 酸窒化物SrVO2.2O0.6に対するAサイトドープの影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村山 寛太郎, 難波 杜人, 高津 浩, 陰山 洋
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 電界効果を利用したフッ化反応による酸フッ化物単結晶薄膜の合成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 難波 杜人, Li Haobo, 高津 浩, 陰山 洋
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 酸窒化物ダブルペロブスカイトLa2MnTaO5Nにおけるスピンフラストレーションとアニオン置換効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田耕大, Cedric Tassel, 渡部大地, 高津浩, 陰山洋, Craig M. Brown, Goran Jan Nilsen
  • 学会等名: 第5回固体化学フォーラム研究会
• [備考] 巨大な垂直磁気異方性を示すペロブスカイト酸水素化物の発見 ―水素層と酸素層の協奏効果―
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230929
• [備考] 脱水を伴う新しい還元反応の発見 －電気化学反応と脱水反応を組み合わせた新しい機能性材料の開拓－
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2021-10-19
• [備考] 同上
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/sites/default/files/2021-10/20211014-takatsu-84213e9b05530630153b1902f326d29e.pdf