| 研究課題/領域番号 |
23K23050
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01782 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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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 | 中部大学 |
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研究代表者 |
山田 直臣 中部大学, 工学部, 教授 (50398575)
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| 研究分担者 |
村田 秀信 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 上級研究員 (30726287)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2025年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2024年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
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| キーワード | 欠陥耐性半導体 / ヨウ化物 / 価電子帯上端 / 反結合性軌道 / ハロゲン化物 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は，未開拓の三元系銅ハライド（Cu-M-X）の中から反結合性軌道が価電子帯上端（VBM）を形成する，欠陥耐性半導体を網羅的に探索し，新たな欠陥耐性半導体群の開拓を行う．その際，「優れたハライド半導体はペロブスカイト構造」という固定観念を捨て，他の構造を中心に探索する．反結合VBMに着目した第一原理計算によるスクリーニングとベイズ最適化を用いた合成実験の組み合わせで広範囲をハイスループット探索し，欠陥耐性半導体群の飛躍的な拡張と，実験・計算結果を統合したデータベースの構築を行う．
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| 研究実績の概要 |
実験に関しては，欠陥耐性よう化物の候補物質であるCu2ZnI4（CZI），CuBiI4（CBI）の薄膜合成に取り組んだ．薄膜中のM/Cu比（M = Zn, Bi）を量論比に設定できるようにするために，多元薄膜合成システムに水晶振動子蒸着レートモニターを導入した．蒸着レートモニターを用いて，CuIとMxIyの蒸発フラックス量が量論比になるようにCuIとMxIyのルツボ温度を決定した．その結果，量論比に近い組成の薄膜を作ることができたが，量論比よりもややZnとBiが少なくなった．この現象は，加熱された基板からZnI2やBiI3が再蒸発するためであることがわかった．そのため，ZnI2とBiI3のルツボ温度を，蒸着レートモニターで決定した温度よりもやや高くして過剰に供給すると組成は量論比に漸近した．CBIに関しては非常に結晶性の高い薄膜が得られ，次年度以降の物性評価に資する試料が準備できるようになった．一方，CZIは潮解性を有していることが判明した．そのため，結晶性については評価することができなかった．CZIを評価するためには，保護膜の形成を検討する必要がある．保護膜材料の検討に着手しはじめ，ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）が有望である感触を得ている．
理論計算による候補物質のスクリーニングでは，結晶構造データベースICSDに掲載されているプロトタイプ結晶構造を用い，CuGaI4組成の結晶222個の第一原理計算を実行してCu, Gaの配位環境に関する知見を得た．この結果は既存の酸化物や窒化物とは大きく異なる挙動であった．
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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
CBIの薄膜形成についてはおおむね順調に進んでおり，物性評価に資する結晶性良好な薄膜を成長させることができるようになった．CZIの薄膜形成については潮解性の問題が見つかったが，保護膜材料の有望な候補が見つかりつつあり，問題解決にはそれほど時間を要さないと判断している．
理論計算については，予定通りにスクリーニングが進んでいる．
以上の理由から，おおむね順調と判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
CBIに関しては，組成制御がほぼ確立できたので，より結晶性の高いエピタキシャル薄膜を成長させ，これまで不明であったCBIの固有物性を明らかにする．とくに，光電子分光法等を用いて電子状態について実験的に明らかにする．その後，意図的に組成をずらしたCBI薄膜を成長させ，物性の欠陥耐性について実証を行う．CZIについては，PTEF保護膜を形成し，結晶性や電子物性の評価を可能にする．保護膜を形成した状態で各種電子物性を評価するための方法についても検討する必要がある．
理論計算については，これまでのCuGaI4組成の結晶に引き続き，Cu2ZnI4およびCuBiI4組成の結晶に関してもプロトタイプ結晶構造を用いた網羅的な第一原理計算を実施し，価数やイオン半径が異なる場合における多元系複合ヨウ化物の結晶化学的基礎学理の構築を目指す．
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