水素透過能の整流性を利用した電解水素挿入法の開発と水素化物超伝導体の探索

• 研究課題/領域番号: 21K18892
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分29:応用物理物性およびその関連分野
• 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)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2021年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: 金属水素化物 / 複合アニオン化合物 / 薄膜物性 / 光機能 / フォトクロミズム / エレクトロクロミズム / 金属絶縁体転移 / 電気化学 / 超伝導

研究開始時の研究の概要

本研究では、Nb-H系薄膜における「水素透過の整流作用」と「電気化学的水素挿入法」を組合せ、常温・常圧環境において高圧相金属水素化物を安定化し、高密度水素に由来する超伝導発現を目指すものである。超伝導はエネルギー問題や量子コンピュータの観点で注目を集めており、新物質探索と超伝導転移温度の上昇を通じた社会へのインパクトをもくろむ。

研究成果の概要

常圧では実現不可能な高密度水素付加を電気化学的に行い、超伝導探索を目指した。Nb水素化物を水電解による水素発生極として用いることで、不可逆な水素リッチ相が実現したことから、これを用いてTi, Vの金属水素化物生成を試みた。しかし、超伝導相は発現しなかった。
一方で、複合アニオン化合物においては、興味深い物性を発見した。Yの酸水素化物において、従来の光による透過率・伝導率変化に加えて、電気化学的水素脱挿入による高速な変調を見出した。また、Tiの窒素水素化合物では2桁程度の電気抵抗減少を観測したが、電界切断直後に元に戻ってしまった。今後は、電界印加下の冷却により新たな電子相の発見を目指す。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、電気化学的水素チャージ法による金属水素化物の物性変調を目指し、特に光誘起金属化の観測に成功したイットリウム酸水素化物において、固体内水素の脱挿入による光学・電気特性変調に成功した。光・電場という複合的な外場が利用できること、従来数週間かかっていた緩和過程を10秒以内という5桁以上の高速なスイッチングを実現したことから、今後さらに全固体化できれば応用の可能性が拡大することが期待される成果である。

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
• [学会発表] YOxHy薄膜の電気化学的金属-絶縁体転移における溶液の寄与 (2022)
  • 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
• [学会発表] Repeatable photo-induced metallization observed in YOxHy epitaxial thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryota Shimizu, Yuya Komatsu, Ryuhei Sato, Markus Wilde, Kazunori Nishio, Katsuyuki Fukutani, Shinji Tsuneyuki, Taro Hitosugi
  • 学会等名: 2nd International Symposium “Hydrogenomics"
  • 国際学会
• [学会発表] 固体内水素の荷電状態制御を通じた金属・絶縁体スイッチング (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 水素科学技術連携研究会 6月研究会
• [学会発表] Thermal motion of hydrogen observed in photoinduced YOxHy thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: oY. Komatsu, R. Shimizu, T. Hitosugi, R. Sato, S. Tsuneyuki, M. Wilde, K. Fukutani, H. Saitoh, D. Matsumura, J. O. Ticknor, D. Fujimoto, J. R. Adelman, R. M. L. McFadden, I. McKenzie, M. Stachura, G. D. Morris, W. A. MacFarlane, J. Sugiyama
  • 学会等名: MuSR2020
  • 国際学会
• [学会発表] アニオン複合化による水素の荷電状態制御と薄膜物性制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 第5回ハイドロジェノミクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 薄膜内水素の組成・荷電状態制御による水素化物物性の開拓 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会「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] 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
• [学会発表] 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] 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
• [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