新しい炭素ネットワーク物質の高圧合成による高温超伝導探索

• 研究課題/領域番号: 22K03506
• 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13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 中野 岳仁 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (50362611)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 高圧合成 / 炭素 / 超伝導

研究開始時の研究の概要

本研究では，高圧合成法を用いて新しい炭素系ネットワーク物質を合成し，常圧下で存在可能な高温超伝導体を開発することを目的とする．この実現のために以下の手順で研究を進める．（１）フラーレン分子を高圧重合して３次元ネットワーク物質を合成した報告があるが，追試がほとんどなされていない．この追試と温度圧力条件の拡張によって新結晶相を探索する．（２）アルカリ金属をドープしたフラーレンを出発物質として高圧高温処理を行い，炭素の３次元ネットワーク物質のキャリア数制御を実施する．（３）放射光によるその場観察測定を活用して新結晶相の探索を高効率で行う．詳細な物性測定を多角的に行い，新物質の物性を明らかにする．

研究実績の概要

本研究では，高圧合成法により新しい炭素系ネットワーク物質を合成し，キャリア数制御法も開発して，常圧下で存在可能な100 K級の超伝導体を開発することを目的としている．
まず固体フラーレンC60に対して，所属機関所有のマルチアンビル型高圧発生装置を用い，高圧高温処理を行った．15 GPa，550度で処理した試料は，X線粉末回折から面心立方構造の結晶であり，格子定数が出発物質よりも大幅に減少していることが分かった．また赤外顕微分光から元のC60固有の分子振動モードが消失していることも分かった．C60分子が重合した３次元ネットワーク物質が合成されていると考えられる．これは既報研究の一部分を再現する結果であり，分子振動モードの消失は新たに得られた知見である．
高圧重合後の試料にキャリアドープを行うことは困難であるため，あらかじめアルカリ金属ドープしたC60に対して高圧高温処理を行った．その準備として極めて嫌気性の物質を密封して高圧高温処理を施す方法を独自に実現した．大型放射光施設SPring-8 BL04B1において高温高圧下でのX線粉末回折の「その場観察」実験をNaxC60 (x = 1~3)，K3C60とRbC60に対して0 ~ 16.5 GPa，室温 ~ 800度の範囲で実施し，新結晶相の探索を行った．その結果，NaxC60とK3C60では15 GPa, 600 ~ 700度において新たな結晶相の存在を見いだした．しかし，圧力を下げながら測定を行ったところ，これらの新結晶相は常圧下では安定に存在できないことが分かった．そのため，試料を取り出しての物性評価はできていない．

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

嫌気性物質を密封して高圧高温処理を施す方法を独自に開発することができた．この技術を実際に複数の組成のアルカリ金属ドープC60に適用し，放射光を用いた高温高圧下での「その場観察」X線回折実験により，複数の新たな結晶相を発見することに成功した．ここまでの進展は非常に順調であると言える．ただし，これらの新たな結晶相が常圧下では安定ではないことが分かったので，これらの相の高圧下での評価，並びに常圧下でも安定な別の組成の新物質の探索が今後必要となる．

今後の研究の推進方策

今後は以下の３つの方針を軸として研究を進める．
ノンドープC60を高圧重合した物質の電子状態の評価を進める．
NaxC60とK3C60の高圧下でのみ存在可能な新結晶相についての研究を進める．高圧下でも良質なX線回折データが取得可能であり，光学測定や電気伝導度測定への拡張が可能な圧力セルを用いた実験を，専門家の協力を得て進める．これにより，高圧相の結晶構造と電子物性を明らかにする．
Naよりもイオン半径の小さなLiをドープしたC60や金属内包フラーレンを出発物質として高温高圧処理を行なって，常圧下でも存在可能な新しい炭素系ネットワーク物質を開発する．