超秩序構造物質のマクロスケール物性と局所電子状態の計測

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 超秩序構造が創造する物性科学
• 研究課題/領域番号: 20H05882
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 石川 毅彦 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (00371138)
• 研究分担者: 正井 博和 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (10451543) ; 橋本 由介 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (60872877) ; 横谷 尚睦 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (90311646)
• 研究期間 (年度): 2020-11-19 – 2025-03-31
• キーワード: 光電子ホログラフィー / 高温融体 / 非晶質材料 / 機能性材料

研究実績の概要

本研究は、機能材料に存在する「超秩序構造」を対象として、マクロスケールの精密な物性測定及びX線光電子ホログラフィーを利用したミクロな測定（原子配列計測と電子構造の同時計測）を行い、マクロ／ミクロの両面からの計測を通じて構造と機能性発現機構の関係を明らかにするものである。
微小重力を用いた酸化物融体の熱物性計測においては、MgO-SiO2系について、国際宇宙ステーション搭載静電浮遊炉を用いて測定した密度と、放射光で測定したデータを用いて融体の原子構造モデルを構築した。また、2700℃程度の融点を持つ酸化ジルコニウムの浮遊溶融に成功した。
量子ビームを用いて構築された構造モデルと陽電子消滅法等の測定結果を合わせて、非晶質材料の構造と物性の相関の研究を進めている。今年度はゼオライトを出発原料とする非晶質SiO2の永久高密度化及び13族置換したリン酸塩ガラスにおける局所構造解析を実施し、成果を得ている。
SPring-8に設置した軟X線光電子ホログラフィー分光装置を用い、ドーピングにより機能性を発現する物質を研究対象として、ドーパント局所構造を元素および化学状態選択的に明らかにする実験を行なっている。今年度はWドープVO2とNドープダイヤモンドの光電子分光実験および解析を進めるとともに、不安定試料を実験を行うために必要となる装置整備（グローブボックスを立ち上げ）に着手した。
更に、軟X線に比較してより多様な試料に対応出来る硬X線光電子ホログラフィー装置の開発を進めている。今年度は、観測機器の製作、架台の製作を進め、SPring-8へ搬入する準備が完了した。

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

微小重力環境での酸化物融体の熱物性計測に関しては、70%以上の溶融成功確率を維持し、目標としていた酸化物融体の熱物性計測に成功している。試料も無事に宇宙から帰還して、更なる分析が進められている。非晶質材料における超秩序構造の探索においてはゼオライトを出発原料とする非晶質SiO2の永久高密度化及び13族置換したリン酸塩ガラスにおいて、構造と特性に関する重要な知見が得られている。
軟X線ホログラフィー分光装置を用いた研究では多くの機能性材料について局所構造研究が進められるとともに、不安定な試料の測定に対応するためのグローブボックスの設置など、更なる装置改良を進めている。硬X線光電子ホログラフィー分光器の開発は、来年度（2024年度）のSPring-8への設置に向けて、着実に組み立て及び試験が進められた。

今後の研究の推進方策

本研究は、来年度最終年であるため、成果のまとめを意識して研究を進める予定である。微小重力環境での高温酸化物融体の熱物性計測・量子ビームと地上装置群を用いた非晶質材料の超秩序構造の探索については、継続して実験／測定を進めるとともに、これまで得られたデータのまとめ（論文化）を進める。軟X線光電子ホログラフィー分光装置を用いた研究においても新規研究対象材料のデータ取得を進める一方で、データのまとめを行う。硬X線対応の光電子ホログラフィー分光装置の開発については、2024年度にSPring-8に搬入してかみ合わせ試験を実施する。

研究成果

• [雑誌論文] Atomic and Electronic Structure in MgO-SiO2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Shuseki Yuta、Kohara Shinji、Kaneko Tomoaki、Sodeyama Keitaro、Onodera Yohei、Koyama Chihiro、Masuno Atsunobu、Sasaki Shunta、Hatano Shohei、Shiga Motoki、Obayashi Ippei、Hiraoka Yasuaki、Okada Junpei T.、Mizuno Akitoshi、Watanabe Yuki、Nakata Yui、Ohara Koji、Murakami Motohiko、Tucker Matthew G.、Ishikawa Takehiko
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 128 ページ: 716～726
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.3c05561
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Combinatorial characterization of metastable luminous silver cations (2024)
  • 著者名/発表者名: Masai Hirokazu、Koshimizu Masanori、Kawamoto Hiroki、Setoyama Hiroyuki、Onodera Yohei、Ikeda Kazutaka、Maruyama Shingo、Haruta Naoki、Sato Tohru、Matsumoto Yuji、Takahashi Chika、Mizoguchi Teruyasu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-024-55014-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Microgravity effects on nonequilibrium melt processing of neodymium titanate: thermophysical properties, atomic structure, glass formation and crystallization (2024)
  • 著者名/発表者名: Wilke Stephen K.、Al-Rubkhi Abdulrahman、Koyama Chihiro、Ishikawa Takehiko、Oda Hirohisa、Topper Brian、Tsekrekas Elizabeth M.、Moncke Doris、Alderman Oliver L. G.、Menon Vrishank、Rafferty Jared、Clark Emma、Kastengren Alan L.、Benmore Chris J.、Ilavsky Jan、Neuefeind J?rg、Kohara Shinji、Weber Richard
  • 雑誌名: npj Microgravity 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41526-024-00371-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoelectron Holographic Study for Atomic Site Occupancy for Si Dopants in Si-Doped κ-Ga2O3(001) (2024)
  • 著者名/発表者名: Tsai Yuhua、Hashimoto Yusuke、Sun ZeXu、Moriki Takuya、Tadamura Takashi、Nagata Takahiro、Mazzolini Piero、Parisini Antonella、Bosi Matteo、Seravalli Luca、Matsushita Tomohiro、Yamashita Yoshiyuki
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 24 ページ: 3978～3985
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00482
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoelectron Holography Study of La(O,F)BiS2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Li YaJun、Sun ZeXu、Kataoka Noriyuki、Setoguchi Taro、Hashimoto Yusuke、Takeuchi Soichiro、Koga Shunjo、Demura Satoshi、Noguchi Kanako、Sakata Hideaki、Mizuguchi Yoshikazu、Matsushita Tomohiro、Wakita Takanori、Muraoka Yuji、Yokoya Takayoshi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: -
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.044801
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature dependent local inhomogeneity and magnetic moments of (Li1-xFex)OHFeSe superconductors (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomassucci G.、Tortora L.、Pugliese G. M.、Stramaglia F.、Simonelli L.、Marini C.、Terashima K.、Wakita T.、Ayukawa S.、Yokoya T.、Kudo K.、Nohara M.、Mizokawa T.、Saini N. L.
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 25 ページ: 6684～6692
  • DOI: 10.1039/d3cp00004d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Valence and Local Structure Analyses of Eu and Dy Ions in Sr2MgSi2O7:Eu, Dy Long Persistent Phosphorescence Phosphors Synthesized by Solid State Reaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Kitaura Mamoru、Watanabe Shinta、Masai Hirokazu、Ina Toshiaki、Setoyama Hiroyuki、Ishizaki Manabu、Nakanishi Takayuki、Matsushima Yuta、Kunimoto Takashi、Ohnishi Akimasa
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 52 ページ: 190～193
  • DOI: 10.1246/cl.230013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determining the density of molten Y2O3 using an electrostatic levitation furnace in the International Space Station (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Oda, R. Shimonishi, C. Koyama, T. Ito, T. Ishikawa
  • 雑誌名: High Temp. - High Press. 巻: 52 ページ: 341-350
  • DOI: 10.32908/hthp.v52.1375.
  • 査読あり
• [雑誌論文] An Algorithm to Correct the Sensitivity Distribution of a Retarding Field Analyzer for Photoelectron Holography (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsushita Tomohiro、Hashimoto Yusuke、Tomita Hiroto、Sun Zexu、Kawamura Sota、Fujii Mami N.、Mizuno Jun
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 21 ページ: 183～187
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-027
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Oxygen on Lattice Defects in Single-Crystalline Mg2Si Thermoelectrics (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Kei、Kawamura Sota、Hashimoto Yusuke、Akao Noboru、Huang Zhicheng、Saito Wataru、Tasaki Kaichi、Hayashi Koichi、Matsushita Tomohiro、Miyazaki Yuzuru
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 13 ページ: 1222～1222
  • DOI: 10.3390/nano13071222
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Origin of Unexpected Ir3+ in a Superconducting Candidate Sr2IrO4 System Analyzed by Photoelectron Holography (2023)
  • 著者名/発表者名: Horie Rie、Matsushita Tomohiro、Kawamura Sota、Hase Tsubasa、Horigane Kazumasa、Momono Hiroki、Takeuchi Soichiro、Tanaka Masaki、Tomita Hiroto、Hashimoto Yusuke、Kobayashi Kaya、Haruyama Yuichi、Daimon Hiroshi、Morikawa Yoshitada、Taguchi Munetaka、Akimitsu Jun
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 62 ページ: 10897～10904
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c03788
  • 査読あり
• [雑誌論文] Siliceous zeolite-derived topology of amorphous silica (2023)
  • 著者名/発表者名: Masai Hirokazu、Kohara Shinji、Wakihara Toru、Shibazaki Yuki、Onodera Yohei、Masuno Atsunobu、Sukenaga Sohei、Ohara Koji、Sakai Yuki、Haines Julien、Levelut Claire、Hebert Philippe、Isambert Aude、Keen David A.、Azuma Masaki
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 6 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s42004-023-01075-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoelectron holographic evidence for the incorporation site of Se and suppressed atomic displacement of the conducting layer of La(O,F)BiSSe (2023)
  • 著者名/発表者名: Li YaJun、Sun ZeXu、Kataoka Noriyuki、Setoguchi Taro、Hashimoto Yusuke、Takeuchi Soichiro、Koga Shunjo、Hoshi Kazuhisa、Mizuguchi Yoshikazu、Matsushita Tomohiro、Wakita Takanori、Muraoka Yuji、Yokoya Takayoshi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: 125001～125001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad079b
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] The Electrostatic Levitation Furnace Onboard the International Space Station for Container-Less Material Processing and Thermophysical Property Measurements at Extremely High Temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: 石川毅彦
  • 学会等名: The Electrochemical Society 243rd Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Hyperordered Structures in Materials (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Koichi, Kohara Shinji, Matsushita Tomohiro, Kimura Koji, Ohoyama Kenji, Onodera Yohei, Sato Tomoko, Hirata Akihiko, Chiba Ayano, Hosokawa Shinya, Ishikawa Takehiko, Paradis Paul-Francois, Masuno Atsunobu, Nakata Ayako, Morikawa Yoshitada, Takano Yu
  • 総ページ数: 216
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 978-981-99-5234-2