圧力誘起体積収縮を用いた巨大負熱膨張物質の開発

• 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: 26106507
• 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: 東京工業大学
• 研究代表者: 東 正樹 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (40273510)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2015年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2014年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: ペロブスカイト / 電荷移動 / 負熱膨張 / 強誘電転移

研究実績の概要

ペロブスカイト化合物PbCrO3のが圧力印加で示す10％もの巨大な体積収縮のメカニズムを解明した。高圧合成で得られるペロブスカイトPbCrO3は、長らくPb2+Cr4+O3の反強磁性絶縁体だと考えられてきた。しかしながら、立方晶で指数づけできるX線回折ピークはブロードで、4.01Åという格子定数はSr2+Cr4+O3にくらべ4.8%も長く、La3+Cr3+O3よりも長い。また、t2g2の電子配置を持つCr4+であれば金属伝導が期待されるのに、絶縁体であるのも不思議である。2010年に、PbCrO3を加圧すると、1.6GPaで9.8%の体積減少を示すことが報告され注目を集めた。硬X線光電子分光測定で、Pb2+とPb4+の存在が明らかになった。電子顕微鏡観察ではPb位置に乱れがあり、短距離秩序の存在を示唆する3a×3a×3aの散漫散乱が見つかった。この結果を元に放射光Ｘ線PDF解析を行い、この物質が常圧ではPb2+とPb4+が3格子間距離程度の短距離秩序したPb2+0.5Pb4+0.5Cr3+O3である事を確かめた。この結果はDFT計算とも符合しているこうしたことから、Pb2+Cr4+O3への転移が圧力誘起体積減少の起源であることを明らかにした。これはサイト間電荷移動によって巨大負熱膨張を示すBiNiO3と同様の変化なので、化学置換によって巨大負熱膨張が発現すると期待される。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] オークリッジ国立研究所(米国)
• [国際共同研究] マックスプランク研究所/ユーリッヒ研究所(ドイツ)
• [雑誌論文] Negative thermal expansion induced by intermetallic charge transfer (2015)
  • 著者名/発表者名: Masaki Azuma, Kengo Oka, Koichiro Nabetani
  • 雑誌名: Sci. Technol. Adv. Mater. 巻: 16 号: 3 ページ: 034904-034904
  • DOI: 10.1088/1468-6996/16/3/034904
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A new LiNbO3-type polar oxide with closed-shell cations: ZnPbO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: Runze Yu, Hajime Hojo, Teruyasu Mizoguchi, and Masaki Azuma
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 118 号: 9 ページ: 094103-094103
  • DOI: 10.1063/1.4930034
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Melting of Pb Charge Glass and Simultaneous Pb－Cr Charge Transfer in PbCrO3 as the Origin of Volume Collapse (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Yu, H. Hojo, T. Watanuki, M. Mizumaki, T. Mizokawa, K. Oka, H. Kim, A. Machida, K. Sakaki, Y. Nakamura, A. Agui, D. Mori, T. Inaguma, M. Schlipf, K. Z. Rushshanskii, M. Lezaic, M. Matsuda, J. Ma, S. Calder, M. Isobe, Y. Ikuhara, and M. Azuma
  • 雑誌名: J. Am.Chem.Soc. 巻: 137 号: 39 ページ: 12719-12728
  • DOI: 10.1021/jacs.5b08216
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Suppression of temperature hysteresis in negative thermal expansion compound BiNi1-xFexO3 and zero-thermal expansion composite (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nabetani, Y. Muramatsu, K. Oka, K. Nakano,1 H. Hojo, M. Mizumaki, A. Agui, Y. Higo, N. Hayashi, M. Takano, and M. Azuma
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 106 号: 6 ページ: 061912-061912
  • DOI: 10.1063/1.4908258
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] New PbTiO3 Type Giant Tetragonal Compound Bi2ZnVO6 and Its Stability under Pressure (2015)
  • 著者名/発表者名: Runze Yu, Hajime Hojo, Kengo Oka, Tetsu Watanuki, Akihiko Machida, Keisuke Shimizu, Kiho Nakano, and Masaki Azuma
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 27 号: 6 ページ: 2012-2017
  • DOI: 10.1021/cm504133e
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural evolution and enhanced piezoresponse in cobalt-substituted BiFeO3 thin films (2014)
  • 著者名/発表者名: Hajime Hojo, Ko Onuma, Yuichi Ikuhara, and Masaki Azuma
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 7 号: 9 ページ: 091501-091501
  • DOI: 10.7567/apex.7.091501
  • NAID: 210000137210
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Systematic Charge Distribution Change in Bi, Pb-3d Transition Metal Perovskites (2016)
  • 著者名/発表者名: Masaki Azuma
  • 学会等名: Indo Japan conference on Emergent phenomena in transition-metal compounds and related materials
  • 発表場所: バンガロール
  • 年月日: 2016-03-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Systematic Charge Distribution Change in BiMO3 and PbMO3 (M: 3d transition metal) (2015)
  • 著者名/発表者名: Masaki Azuma
  • 学会等名: Pacifichem 2015
  • 発表場所: Honolulu
  • 年月日: 2015-12-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 機能性遷移金属酸化物の高圧下における単結晶育成 (2015)
  • 著者名/発表者名: 東 正樹
  • 学会等名: NCCG-45
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2015-10-19
  • 招待講演
• [学会発表] Systematic Charge Distribution Change in Bi, Pb - 3d Transition Metal Perovskites (2015)
  • 著者名/発表者名: Masaki Azuma
  • 学会等名: International Symposium on Negative Thermal Expansion and Related Materials
  • 発表場所: 北京科学技術大学
  • 年月日: 2015-10-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 鉛ペロブスカイトの 系統的な電荷分布変化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 東 正樹
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-16
  • 招待講演
• [学会発表] PbCrO3 における 電荷グラス状態 の直接観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 北條 元, Runze Yu, 綿貫 徹 , 幾原 雄一, 東 正樹
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] 適度なc/a 比を持つ単斜晶圧電体Bi2ZnTi1-xMnxO6 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松田奈瑠美・于潤澤・東正樹・岡研吾
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 2015年 年会
  • 発表場所: 岡山大学
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [学会発表] Structural and Magnetic evolution of Co substituted BiFeO3 (2014)
  • 著者名/発表者名: 東 正樹
  • 学会等名: Pressure and Strain Effects in Correlated Electron Materials
  • 発表場所: ドレスデン
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-09
  • 招待講演
• [学会発表] Pb2+/4+ charge glass and intermetallic charge transfer in PbCrO3 (2014)
  • 著者名/発表者名: 東 正樹
  • 学会等名: Frontier of Transition-metal Compounds Opened by Advanced Spectroscopies
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2014-09-30 – 2014-10-02
  • 招待講演
• [学会発表] BiCoO3 の基底高スピン状態と巨大自発分極 (2014)
  • 著者名/発表者名: 東 正樹
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] Ｍelting of Pb charge glass and simultaneous Pb-Cr charge transfer in PbCrO3 (2014)
  • 著者名/発表者名: 東 正樹
  • 学会等名: New Quantum Materials of Novel Properties at Extended Pressure
  • 発表場所: 北京
  • 年月日: 2014-08-19 – 2014-08-20
  • 招待講演
• [学会発表] Structural and Magnetic Evolution of Co Substituted BiFeO3 (2014)
  • 著者名/発表者名: 東 正樹
  • 学会等名: the 10th Japan-Korea Conference on Ferroelectrics
  • 発表場所: 広島
  • 年月日: 2014-08-17 – 2014-08-20
  • 招待講演
• [備考] クロム酸鉛の「価数の謎」解き明かす―50年来の常識覆し、巨大負熱膨張材料の開発に手掛かり―
  • URL: http://www.titech.ac.jp/news/2015/032463.html