| 研究領域 | ハイパーマテリアル：補空間が創る新物質科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
19H05818
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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研究代表者 |
田村 隆治 東京理科大学, 基礎工学部材料工学科, 教授 (50307708)
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| 研究分担者 |
石政 勉 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (10135270)
木村 薫 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30169924)
室 裕司 富山県立大学, 工学部, 准教授 (50385530)
山田 庸公 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 助教 (60638584)
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| 研究期間 (年度) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| キーワード | ハイパーマテリアル / 準結晶 / 近似結晶 / 半導体 / 中間価数 / 量子臨界 / 酸化物 / 磁性 |
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| 研究実績の概要 |
局在ハイパーマテリアルに関しては、準結晶に対する近似度のより高いAu-Ga-Eu2/1近似結晶において、2/1では初めて長距離磁気秩序（反強磁性相）を発見した。また、Au-Cu-Al-In-R2/1近似結晶の作製に成功し、またこの近似結晶が強磁性転移を示すこと、および、2/1近似結晶の磁性がコントロールできることを明らかにした。
半導体ハイパーマテリアルに関しては、半導体Al-Ru-Si 1/0近似結晶を創製したバンドエンジニアリングにより、より近似度の高い1/1と2/1近似結晶に適用した。また、半導体ボロン準結晶の可能性を計算と実験で確かめた。
強相関系ハイパーマテリアルに関しては、Zn6Yb1/1近似結晶から出発して新規物質を探索した結果，Zn-Au-Yb合金の正20面体準結晶（準安定相）と2/1近似結晶（安定相）を発見した。 また、これらの物質についてA04班と共同研究を行い、両物質ともYbが中間価数（約2.5価）にあること、さらにZn-Au-Yb準結晶が量子臨界性を示すことを明らかにした。加えて、新しい強相関電子系および価数揺動ハイパーマテリアルの探索として、Au-Al-Ce系近似結晶を合成し、その磁性を調べた。低温物性測定から、Au-Al-Ce系は新たな強相関電子系近似結晶であることを見いだし、この系での強相関準結晶の発現可能性を指摘した。
酸化物ハイパーマテリアルに関しては、現在唯一の例であるチタン酸バリウム(Ti-O-Ba)準結晶について、高次元構造モデルを考察し、様々な近似結晶に対するフェイゾンマトリックスを導出した。そして、高次元構造から既知のTi-O-Ba近似結晶の構造を導くことに成功した。
以上に加えて、領域内の連携を推進し、A03班の機械学習により予測された合金組成近傍で試料作成を行った結果、Zn-Sc-Ti系において新規1/1近似結晶を発見した。
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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
準結晶における長距離磁気秩序の実現に向けて、1/1近似結晶より高次の2/1近似結晶において、すでに反強磁性および強磁性相の合成に成功している。2/1近似結晶は単に1/1近似結晶より準結晶に対する近似度が上がったばかりでなく、準結晶の構成要素をすべて含むことから、準結晶における磁気秩序実現の一里塚と見なすことができる。
半導体ハイパーマテリアルに関しては、Al-Pd-Co 1/1近似結晶のバンドギャップをバンド計算で確認し、ギャップの起源を明らかにしたが、実験的にはまだ擬ギャップしか実現されていない。半導体ボロン1/1近似結晶や準結晶が準安定相として存在する可能性が得られ、実験的に準安定結晶相や未知相が見つかっている。
Zn-Yb系は，原子半径比，あるいは化学圧力の観点から中間価数Ybが期待されていた。そこで、Zn6Yb1/1近似結晶のZnを少量のAl, Ni, Cu, Ag, Auなどで置換して新物質を探索した。その結果、Zn-Au-Yb合金において新規準結晶・近似結晶の形成が見られたので、Zn-Au-Dy系についても実験を進めた。さらに、2次元磁性ハイパーマテリアルの実現に向けて、層間距離の類似に着目して、まずLu-Ni-In系およびSm-Ni-In系で探索した。Sm-Ni-In系では、既知の化合物では説明できず、しかも12角形準結晶相で期待される位置に
近いX線ブラッグピークが観測された。
酸化物ハイパーマテリアルについては、RFマグネトロンスパッタリングを用いてTi-O-BaをPt(111)基板上に蒸着させることにより、Ti-O-Ba薄膜を作製し、基板温度、雰囲気などをパラメータとして酸化物ハイパーマテリアルの合成条件を探索した。
以上に加えて、領域内共同研究により、Zn-Sc-Ti合金において見出した1/1近似結晶について、単相試料を得るための作成条件を探索した。
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| 今後の研究の推進方策 |
局在ハイパーマテリアルに関しては、昨年度明らかになった2/1近似結晶における磁性制御法をもとに、準結晶における初の長距離磁気秩序の実現を狙う。具体的には、2/1近似結晶における平均価電子数と磁気秩序の関係をもとに、新規準結晶を探索し、その磁性を調べる。
半導体ハイパーマテリアルに関しては、Al-Rh-Si 2/1近似結晶のバンド計算を行い、バンドギャップの有無を確かめ、ギャップを広げる置換元素を明らかにし、実験で実現する。過冷却液体急冷で見つかった未知相の構造を明らかにする。また、A03班で予測されたAl-遷移金属３元系の準結晶・近似結晶を、過去の文献で確かめ、文献が無いものは実験で確かめる。
強相関系ハイパーマテリアルに関しては、層間距離を起点としたR-TM-M(R希土類、TM遷移金属、M卑金属)3元系での2次元磁性ハイパーマテリアル開発に可能性が見られたので、今後はTMおよびMサイトの元素置換を通して、さらに物質探索を進める。また、日本原子力研究開発機構と協力して、強相関電子系の代表元素であるウランを含む準結晶・近似結晶の探索を始める。
酸化物ハイパーマテリアルに関しては、引き続き、RFマグネトロンスパッタリングを用いてTi-O-Baハイパーマテリアルの合成条件の探索を行う。また、基板の材質やターゲット元素の組み合わせなど様々な条件で新規酸化物ハイパーマテリアルの探索する。
以上に加えて、領域内の連携研究を通じて、A03班の機械学習により予測された合金系ScXZn(X=Nb, Tc,Hf,Ta,Ir,W,Lu)について試料作成を行い、新規ハイパーマテリアルを作製する。
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