| 研究領域 | ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
19H05052
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
前里 光彦 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60324604)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2020年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 水素 / イオンビーム / 薄膜 / 超伝導 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
水素は、結晶格子への最小の修飾により、物質の物性を大きく変化させることが出来る。本研究では、任意の物質に高濃度の水素をドーピングすることが可能な低温水素イオンビーム照射装置を利用して、物質中に高濃度水素を導入することにより、従来型の元素置換法では高濃度キャリアドーピングが困難な物質へのキャリアドーピングを行い、水素導入によるエキゾチック超伝導体の開発を行う。特に、電子相関とスピン軌道相互作用が共存することによる新奇なスピン軌道モット絶縁体Sr2IrO4などを対象として、良質の薄膜作成と水素イオンビーム照射によるキャリアドーピングを行い、エキゾチックな水素誘起超伝導の開発を目指す。
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| 研究実績の概要 |
パルスレーザー堆積法を用いて、スピン軌道モット絶縁体Sr2IrO4のエピタキシャル薄膜（約50nmの膜厚）をLSAT基板上に作成した。作成したSr2IrO4薄膜を用いて、水素イオンビーム照射による水素ドープとin situ温度可変伝導度測定を行った。100Kの低温での水素イオンビーム照射によって、抵抗が約3桁減少することが分かった。水素ドープ後の抵抗の温度変化は、可変領域ホッピング伝導を示すことが分かった。さらに、温度を室温まで上げることにより、抵抗が非可逆的に減少することが分かった。水素イオンビーム照射実験前後でX線回折実験やホール効果の測定を行い、結晶構造変化やキャリア濃度・易動度の変化を調べた。水素照射後の試料は、面間のc軸方向に約１％格子が広がることが分かった。また、面内の格子定数に変化は無かった。ホール効果の測定によって、キャリア濃度が室温で約2桁、200Kでは3桁近く増加していることが分かった。ホール係数の符号から、キャリアは電子であり、水素によって高濃度の電子がドープされたことが分かった。分光測定によって、低波数側に新たな吸収が確認された。さらに、薄膜内部での水素の濃度分布を調べるために、タンデム加速器を利用して核反応分析を行い、実際に高濃度の水素が導入されていることを確認した。第一原理計算で水素の欠陥形成エネルギーを評価してもらったところ、酸素置換型の水素や頂点酸素付近の侵入型水素が安定であることが分かり、実験で得られた水素による電子ドープと矛盾しないことが分かった。
以上のことから、低温水素イオンビーム照射によって、結晶構造にほとんど影響を与えずに、非常に効率的にキャリアドープ出来ることが分かった。その内容をまとめて学術雑誌に投稿した。
また、ルチル型TiO2薄膜への水素ドープにより、可逆的な抵抗のスイッチングが可能であることを見出した。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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