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ジルコン酸バリウム薄膜におけるナノ構造制御とプロトン輸送

公募研究

研究領域ナノ構造情報のフロンティア開拓-材料科学の新展開
研究課題/領域番号 16H00891
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関九州大学

研究代表者

山崎 仁丈  九州大学, 稲盛フロンティア研究センター, 教授 (30292246)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2017年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2016年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
キーワードプロトン伝導性薄膜 / 格子ひずみ / プロトン拡散係数 / 構造・機能材料 / セラミックス / 薄膜 / プロトン伝導 / エピタキシャル
研究実績の概要

本研究の目的は、薄膜においてのみ誘起可能なナノ構造を利用し、ランタノイド置換ジルコン酸バリウム薄膜において、酸化物基板とランタノイド置換ジルコン酸バリウムの格子ミスマッチを利用してランタノイド置換ジルコン酸バリウムに歪みを導入し、プロトン(H+)伝導を制御することである。昨年度までにY置換ジルコン酸バリウムを薄膜化することでプロトン濃度が減少することが示唆されていた。本年度はドーパントをYよりイオン半径の小さなInに置換したジルコン酸バリウムをNb添加チタン酸ストロンチウム基板に堆積することで薄膜試料を作製、さらに膜厚を5 μmから68 nmと幅広く制御することで導入歪み量を制御しプロトン濃度に及ぼす影響を検討した。
作製した薄膜における格子ひずみを逆格子マッピング測定により評価した。膜厚を小さくすることにより面内方向に最大0.9 %の圧縮ひずみが導入された。Y置換試料においては最大3%であったことから、格子不整合度が小さくなり、基板-薄膜界面における格子ひずみが小さくなったものと考えられる。
作製した面内方向に圧縮ひずみを導入した20 mol% In置換ジルコン酸バリウムの薄膜面直方向のプロトン伝導性を評価したところ、基板界面の影響を強く反映していると考えられる膜厚の小さな試料(68 nm)において、Y置換ジルコン酸バリウム薄膜と同様にプロトン伝導性が著しく減少した。このことから、基板との格子不整合を利用してジルコン酸バリウム中に圧縮ひずみを導入すると、比較的小さな圧縮ひずみであってもプロトン濃度が減少することが分かった。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2018 2017 2016

すべて 学会発表 (10件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [学会発表] ジルコン酸バリウムにおけるナノ構造制御とプロトン輸送2018

    • 著者名/発表者名
      山崎仁丈
    • 学会等名
      第5回「ナノ構造情報のフロンティア開拓」公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Hydrogen bonding defines proton transport in doped barium zirconates2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Yamazaki
    • 学会等名
      The 21st international conference on Solid-State Ionics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent progress in understanding proton transport in doped barium zirconates2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Yamazaki
    • 学会等名
      FOXCET Workshop: Proton Ceramic Reactors - Fundamentals and Applications
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Materials design for proton-conducting oxides2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Yamazaki
    • 学会等名
      第43回固体イオニクス討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] プロトン伝導性ジルコン酸バリウム:電気化学計測と第一原理計算の適用2017

    • 著者名/発表者名
      山崎 仁丈, 桑原 彰秀, 奥山 勇治, Craig Fisher, Sossina M. Haile
    • 学会等名
      H29年度合同学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ジルコン酸バリウム薄膜におけるナノ構造制御とプロトン輸送2017

    • 著者名/発表者名
      山崎仁丈, 兵頭潤次, 桑原彰秀
    • 学会等名
      第4回「ナノ構造情報」新学術領域公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] "格子ひずみを制御したイットリウム添加ジルコン酸バリウム薄膜における伝導特性"2016

    • 著者名/発表者名
      兵頭潤次, 山崎仁丈
    • 学会等名
      日本金属学会第159回秋期講演大会
    • 発表場所
      大阪市
    • 年月日
      2016-09-21
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] “ジルコン酸バリウム薄膜におけるナノ構造制御とプロトン輸送”2016

    • 著者名/発表者名
      山崎 仁丈, 兵頭 潤次, 桑原彰秀
    • 学会等名
      新学術領域「ナノ構造情報」第7回全体会議
    • 発表場所
      京都市
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] “イットリウム添加ジルコン酸バリウムのエピタキシャル薄膜作製と格子ひずみの評価 ”2016

    • 著者名/発表者名
      兵頭 潤次, 山崎 仁丈
    • 学会等名
      新学術領域「ナノ構造情報」若手の会
    • 発表場所
      茨城市
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] “YおよびSc置換ジルコン酸バリウムの水和反応~その場X線吸収分光法からの アプローチ~“2016

    • 著者名/発表者名
      星野 健太, 山本 健太郎, 兵頭 潤次, 瀬戸山 寛之, 岡島 敏浩, 山崎 仁丈
    • 学会等名
      第10回九州シンクロトロン光研究センター研究成果報告会
    • 発表場所
      鳥栖市
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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