ヒドリド伝導体を対象とした協奏的イオン伝導モデルの実験的確立

• 研究課題/領域番号: 24K17506
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分26020:無機材料および物性関連
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 玉造 博夢 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, J－PARCセンター, 研究職 (20804967)
• 研究期間 (年度): 2024-04-01 – 2028-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2027年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2026年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2025年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: ヒドリド伝導体 / 中性子準弾性散乱 / 中性子非弾性散乱 / 協奏的イオン伝導機構

研究開始時の研究の概要

超イオン伝導体におけるイオン拡散機構の理解は、固体電解質などへの応用上重要なだけではなく、基礎物理的側面からも論争の的であり続けている。その高速イオン拡散機構として、協奏効果の重要性を指摘する理論モデルが数多く提案されている一方で、手法が限られるために協奏効果に関する微視的な実験的証拠はほとんどない。本研究では、協奏効果が効いていると期待されるヒドリド(H-)伝導体におけるヒドリドダイナミクスの詳細と、そのヒドリド濃度依存性を中性子準弾性・非弾性散乱法によって解明することで、協奏的イオン伝導モデルを微視的観点から実験的に確立することを目的とする。

研究実績の概要

超イオン伝導体におけるイオン拡散機構の理解は、固体電解質などへの応用上重要なだけではなく、基礎物理的側面からも論争の的であり続けている。その高速イオン拡散機構として、協奏効果の重要性を指摘する理論モデルが数多く提案されている一方で、手法が限られるために協奏効果に関する微視的な実験的証拠はほとんどない。本研究では、協奏的イオン伝導モデルを微視的観点から実験的に確立することを目的として、ヒドリド伝導体LaHxやLa4HxO(12-x)/2を対象に、中性子準弾性・非弾性散乱によってそれらのヒドリドダイナミクスの詳細を解明する。

2024年度では、ヒドリド伝導体La4HxO(12-x)/2の非弾性散乱実験結果の解析を進めた。エンドメンバーとなる酸素の含まれていないLaH3(x=12)の非弾性中性子散乱の結果は、ヒドリドが占めているOctサイトとTetサイトのそれぞれにおけるヒドリドの調和振動の重ね合わせで記述出来ることを見出した。一方、酸素が含まれる組成の試料中では、特にTetサイトを占めるヒドリドの振動状態が複数に分かれ、また散乱プロファイルのピーク幅からヒドリド間の相関が弱まっていることを見出した。この結果は、酸素が優先的にTetサイトを占める結晶構造と整合しており、Tetサイトの酸素がヒドリド間の相関を弱めることで協奏的イオン伝導の阻害要因となっていることを示す直接的な微視的実験証拠である可能性がある。

現在までの達成度

3: やや遅れている

理由

ヒドリド伝導体LaHxやLa4HxO(12-x)/2において2種類のイオンダイナミクスが存在するはずであるとの知見は既に得ており、当初計画では、それらのうち特により遅い方のイオンダイナミクスを特定するために、準弾性散乱実験を実施する予定であった。しかしながら、その遅いイオンダイナミクスのタイムスケールの評価とそれに見合った分光器の選定に手間取り、マシンタイム確保のための課題申請や実験の実施には至らなかった。一方、ヒドリド伝導体La4HxO(12-x)/2の非弾性散乱実験結果の解析は順調に進んでおり、ヒドリドの振動状態についての考察が進んだ。順調に進展している部分もあるが、マシンタイム確保のための課題申請まで至らなかったことから、やや遅れていると判断した。

今後の研究の推進方策

2025年度は、2024年度に得た知見をもとに、La4HxO(12-x)/2の非弾性散乱の温度依存性の解析を進める。それらの結果から、酸素によって協奏的イオン伝導が阻害される際のヒドリドの振動状態とその非調和性を明らかにする。また、LaHxやLa4HxO(12-x)/2中のより遅いイオンダイナミクスを特定するために、そのダイナミックレンジにフォーカスしている装置を用いた中性子準弾性散乱実験を行う。