高圧・高温プロセスを利用した新しい構造―機能相関の探求

2017 年度 実績報告書

• 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: 25106006
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 谷口 尚 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (80354413)
• 研究分担者: 遊佐 斉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (10343865) ; 村田 秀信 横浜市立大学, 国際総合科学部(八景キャンパス), 助教 (30726287) ; 宮川 仁 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (40552667) ; 吉田 英弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (80313021)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 高圧高温 / イオン半径 / 構造安定化 / イオン導電率 / 粒界ナノ構造

研究実績の概要

高圧環境下におけるナノ構造情報の活用を目指し、記述子となるイオン半径の高圧への拡張を進めた。網羅的な第一原理計算により算出した1000個以上の結合長の圧力依存性に統計的処理を施すことで、イオン半径の圧力依存性を求めた。更に、高圧下に出現する新奇な価数・配位数を持つイオンへの対応のために、機械学習によるイオン半径のモデル化に展開した。これらの指針を活用し、陽イオン半径を変化させたBaSiO3類似物質で、同様の相転移の存在および凍結可能性について、計算科学による出現圧力およびバンドギャップの予測等により連携研究を進めた。構造と機能相関検証の観点から、高圧合成した物質(AE2NaWO5.5 AE=Ca, Sr, Ba)の体積弾性率(BM)を第一原理計算から求め、BMと全導電率のび、導電率の活性化エネルギー(Ea)の相関を検証した。また物質系の拡張も推進し、NaをKで置換した(AE2KaWO5.5 AE=Ca, Sr)の高圧合成にも成功した。インピーダンス測定により導電性を評価し、Ca2NaWO5.5とCa2KaWO5.5等の同系物質で比較した場合、格子定数が大きい物質、即ち隙間の空間が広い物質の方が高いイオン伝導性を示すことが確認された。
常圧・高温下における化学組成、雰囲気および応力場・電場制御焼結技術を複合的に組み合わせた粒界ナノ領域の制御プロセスにおいて、様々な金属酸化物における緻密化挙動と電気伝導率に関するデータを総括的に評価解析した。その結果、粒界における欠陥準位の生成が電場制御下での物質輸送に深く関連しており、それゆえ電気伝導率ないしバンドギャップを記述子とした粒界ナノ構造制御によって焼結緻密化挙動のコントロールが可能であった。これはナノ構造情報を駆使したプロセスとして期待される。

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。

研究成果

• [国際共同研究] コロンビア大学/MIT/ハーバード大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: コロンビア大学/MIT/ハーバード大学
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] ICFO(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: ICFO
• [国際共同研究] 国立シンガポール大学(シンガポール)
  • 国名: シンガポール
  • 外国機関名: 国立シンガポール大学
• [雑誌論文] Synthesis of hexagonal phases of WN and W2.25N3 by high-pressure metathesis reaction (2018)
  • 著者名/発表者名: F. Kawamura, H. Yusa, T. Taniguchi
  • 雑誌名: J.Am.Ceram.Soc., 巻: 101 ページ: 949-956
  • DOI: 10.1111/jace.15235
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low temperature and high strain rate superplastic flow in structural ceramics induced by strong electric-field (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidehiro Yoshida, Yamato Sasaki
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 146 ページ: 173～177
  • DOI: doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.11.042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superior Valley Polarization and Coherence of 2s Excitons in Monolayer WSe2 (2018)
  • 著者名/発表者名: S-Y. Chen, T. Goldstein, J. Tong, T.Taniguchi, K. Watanabe, J. Yan
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 120 ページ: 046402
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.046402
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Out-of-plane heat transfer in van der Waals stacks through electron-hyperbolic phonon coupling (2018)
  • 著者名/発表者名: K-Jan Tielrooij&nbsp, N. C. H. Hespnbsp, A. Principi, M. B. Lundeberg, E. A. A. Pogna, L. Banszerus, Z. Mics, M. Massicotte, P. Schmidt, D. Davydovskaya, D. G. Purdie, I. Goykhman, G. Soavi, A. Lombardo, K.Watanabe, T. Taniguchi, M Bonn, D. Turchinovich, C. Stampfer,A. C. Ferrari, G. Cerullo, M. Polini,F.H. L. Koppens
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 ページ: 41-46
  • DOI: 10.1038/s41565-017-0008-8
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of the quantum spin Hall effect up to 100 kelvin in a monolayer crystal (2018)
  • 著者名/発表者名: S.Wui, V.Fatami, Q.D.Gibson, K.Watanabe, T.Taniguchi, R.J.Cava P.J-Herrero
  • 雑誌名: Science 巻: 359 ページ: 76-79
  • DOI: 10.1126/science.aan6003
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrical control of charged carriers and excitons in atomically thin materials (2018)
  • 著者名/発表者名: K.Wang, K.D.Greve, L.A.Jauregui, A.Sushko, A.High, Y.Zhou, G.Scuri, T.Taniguchi, K.Watanabe, M.D.Lukin, H.Park, P.Kim
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 ページ: 128-132
  • DOI: 10.1038/s41565-017-0030-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lattice-matched epitaxial graphene grown on boron nitride (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Davies, J.D. Albar, A. Summerfield, J. C. Thomas, T. S. Cheng, V. V. Korolkov, E. Stapleton, J. Wrigley, N. L. Goodey, C. J. Mellor, A. N. Khlobystov, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. T. Foxon, L. Eaves, S. V. Novikov, P. H. Beton
  • 雑誌名: NANO LETTERS. 巻: 18 ページ: 498-503
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04453
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Integer and Fractional Quantum Hall effect in Ultrahigh Quality Few-layer Black Phosphorus Transistors (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Yang, S. Tran, J. Wu, S. Che, P. Stepanov, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Baek, D. Smirnov, R. Chen, C. N. Lau
  • 雑誌名: NANO LETTERS 巻: 18 ページ: 229-234
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03954
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controlled Electrochemical Intercalation of graphene/ h-BN van der Waals Heterostructures (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Y. Frank Zhao, Giselle A. Elbaz, D. Kwabena Bediako, Cyndia Yu, Dmitri K. Efetov, Yinsheng Guo, Jayakanth Ravichandran, Kyung-Ah Min, Suklyun Hong, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Louis E. Brus, Xavier Roy, Philip Kim
  • 雑誌名: NANO LETTERS 巻: 18 ページ: 460-466
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04396
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] n exceptionally narrow band-gap (～4 eV) silicate predicted in the cubic perovskite structure: BaSiO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: H.Hiramatsu, H. Yusa, R. Igarashi, Y. Ohishi, T.Kamiya, and H. Hosono
  • 雑誌名: Inorg. Chem 巻: 56 ページ: 10535-10542
  • DOI: 10.1007/978-981-10-7617-6_12
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inversion Domain Boundaries in Mn-Doped ZnO: Atomic Structure and Electronic Properties (2017)
  • 著者名/発表者名: Joshua Hoemke, Eita Tochigi, Tetsuya Tohei, Hidehiro Yoshida, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara, Yoshio Sakka
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramics Society 巻: 100 ページ: 4252-4262
  • DOI: DOI: 10.1111/jace.14931
  • 査読あり
• [雑誌論文] Consolidation of undoped, monoclinic zirconia polycrystals by flash-sintering (2017)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiro Morisaki, Hidehiro Yoshida, Tomoharu Tokunaga, Katsuhiro Sasaki, Takahisa Yamamoto
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramics Society 巻: 100 ページ: 3851-3857
  • DOI: 10.1111/jace.14954
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric-current-controlled synthesis of BaTiO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Yu Nakagawa, Hidehiro Yoshida, Akinori Uehashi, Tomoharu Tokunaga, Katsuhiro Sasaki, Takahisa Yamamoto
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramics Society 巻: 100 ページ: 3843～3850
  • DOI: 10.1111/jace.14938
  • 査読あり
• [雑誌論文] フラッシュ焼結法によるセラミックス製造の現状と展望 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘, 山本剛久
  • 雑誌名: 粉体及び粉末冶金 巻: 64 ページ: 523～531
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identifying suitable substrates for high-quality graphene-based heterostructures (2017)
  • 著者名/発表者名: L Banszerus, H Janssen, M Otto, A Epping, T Taniguchi, K Watanabe, B Beschoten, D Neumaier, C Stampfer
  • 雑誌名: 2D MATERIALS. 巻: 4 ページ: 025030-1
  • DOI: 10.1088/2053-1583/aa5b0f
  • 国際共著
• [雑誌論文] Gate-tunable Black Phosphorus Spin Valve with Nanosecond Spin lifetimes (2017)
  • 著者名/発表者名: Ahmet Avsar, Jun Y. Tan, Marcin Kurpas, Martin Gmitra, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jaroslav Fabian, Barbaros Özyilmaz
  • 雑誌名: NATURE PHYSICS 巻: 13 ページ: 888-892
  • DOI: 10.1038/nphys4141
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Propagation of superconducting coherence via chiral quantum-Hall edge channels (2017)
  • 著者名/発表者名: Geon-Hyoung Park, Minsoo Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hu-Jong Lee
  • 雑誌名: SCIENTIFIC REPORTS 巻: 7 ページ: 10953-1
  • DOI: 10.1038/s41598-017-11209-w
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Y2O3 のフラッシュ焼結における機能元素の影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 山本剛久
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2018年年会
• [学会発表] Consolidation of oxide ceramics under strong DC field: field-assisted and flash sintering (2018)
  • 著者名/発表者名: Hidehiro Yoshida, Takahisa Yamamoto
  • 学会等名: 6th International Symposium on Advanced Ceramics (ISAC-6)
  • 国際学会
• [学会発表] Flash-sintering and related phenomena in oxide ceramics (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, K. Morita, B.-N. Kim, T. Yamamoto
  • 学会等名: he 12th International Symposium on Advanced Processing and Manufacturing Technologies for Structural and Multifunctional Materials and Systems (APMT12)
  • 国際学会
• [学会発表] Electric-current-controlled synthesis of BaTiO3 under a high DC electric field at elevated temperatures (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshida, Y. Nakagawa, A. Uehashi, T. Yamamoto
  • 学会等名: 2018 Conference on Electronic and Advanced Materials (EAM 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] タングステン複酸化物の高圧合成とその電気特性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮川仁，小林清, 松下能孝, 山浦一成, 谷口尚
  • 学会等名: 第58回高圧討論会
• [学会発表] 高圧下の液相結晶成長における不純物制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷口 尚
  • 学会等名: 学振124委員会第153回 研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 高圧・高温プロセスによる窒化物系高密度相の機能探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 谷口 尚
  • 学会等名: 日本金属学会秋期シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] High pressure synthesis of polymorphic phase of Boron Nitride;Impurity control and new functionalization (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi
  • 学会等名: Joint AIRAPT 26 & ACHPR 8
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Pressure Synthesis of fine structure cubic boron nitride sintered bodies and their mechanical properties (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi
  • 学会等名: FiMPART 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis hexagonal Boron High pressure synthesis of polymorphic phase of Boron Nitride (2017)
  • 著者名/発表者名: T.Taniguchi
  • 学会等名: 2017 Spring MRS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [産業財産権] 六方晶系６Ｈ型バリウムゲルマニウム酸化物、および、その製造方法 (2018)
  • 発明者名: 遊佐 斉 宮川 仁
  • 権利者名: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-076475
• [産業財産権] 立方晶系または六方晶系窒化ホウ素を製造する方法 (2018)
  • 発明者名: 谷口 尚、渡邊賢司
  • 権利者名: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-016071