| 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 |
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| 研究課題/領域番号 |
25106009
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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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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
菅野 了次 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (90135426)
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| 研究分担者 |
平山 雅章 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 講師 (30531165)
鈴木 耕太 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 助教 (40708492)
田村 和久 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 副主任研究員 (10360405)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | イオン導電体 / 固体イオニクス / ナノ材料 / エピタキシャル薄膜 / 表面X線回折 / 高圧合成法 / 結晶構造解析 |
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| 研究概要 |
エネルギーデバイスに利用可能な固体イオニクス材料の創出のため、1「ナノ構造情報取得」、2「物性開拓」、3「材料探索指針の構築と新物質創成」に関する研究を実施した。
1.様々なイオン導電種が固体内を拡散する、新規イオン導電体を開発した。エネルギー変換デバイスの固体電解質材料として利用が期待できる、プロトンと酸化物イオン導電体に着目した。プロトン導電体RbMg1-xH2x(PO3)3・y(H2O)は、443Kにおいて5.5x10-3 S/cmのイオン導電率を示し、既存の超プロトン導電体に比べ、広い温度領域で優れたイオン導電特性を示した。層状構造を有するオキシ炭酸塩La2O2CO3は構造内にリチウムを導入することで、酸素欠損、格子間酸素が導入され、酸化物イオン導電特性を示すことが明らかになった。イオン導電率は組成により変化し、x=0.15の組成で、723Kにおいて5x10-5 S/cmのイオン導電率を示した。
2. パルスレーザー堆積法を用いて、リチウム電池正極材料のエピタキシャル薄膜電極の合成を行った。Li-Mn-O、Li-Co-O系酸化物材料を順に積層させた、新規なLi-Mn-Co-Oエピタキシャル薄膜の合成に成功した。薄膜を積層させることで、Li-Mn-Co-Oターゲットから積層せずに得られる薄膜とは、結晶構造と電気化学特性が異なることが明らかになった。ほぼ同じ組成であっても、真空プロセスと相互拡散プロセスを経ることで、得られる構造と物性が大きく異なり、その制御が可能であることを見出した。
3. A02との連携により、イオニクス機能発現の物質構造予測を行うため、第一原理計算用のVASPソフトウェアを導入し、その立ち上げを行った。計算化学を行う研究グループ(A02(エ)班)とのミーティングを重ね、26年度からの研究指針のすり合わせを行った。
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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
平成25年度に掲げた遂行目標に対して、項目1-3において順調に研究が進捗している。
項目1においては、イオン導電性を示す新規材料を、プロトン、酸化物イオン導電体において発見した。得られた材料の結晶構造は、中性子回折測定とリートベルト解析によって、その平均構造を明らかにすることが出来た。また、そのイオン導電特性についても、評価が済んでいる。新規なイオン導電性を有する材料を開発したことが、本項目において最も重要な成果である。材料開発において、その基軸となる材料を開発することが要であり、本年度得られた材料系に対し、高圧合成法、エピタキシャル法を適応することで、材料の多様性を提供することが可能である。さらに、材料の有する結晶構造、イオン導電特性は、ナノ構造情報を取得するために必要不可欠な基礎データであり、それらを明らかにした意味は極めて大きい。今後、電子顕微鏡、分光測定など、様々な手法でナノ構造情報を取得することで、ナノ構造情報と、イオン拡散特性の相関を詳細に解析する。項目2においては、パルスレーザー堆積法により、新規な構造と、電極特性を有するリチウム電池正極ナノ薄膜の合成に成功した。得られたLi-Mn-Co-O薄膜は、通常の合成法では得られない、準安定構造を有すると考えられる。平成26年度以降に、その構造とイオン拡散機構を解析するナノ材料として、有力候補である。ナノ界面領域を詳細に調べることで、イオニクス材料の物性開拓が可能になる。項目3については、本年度は具体的な実験結果が得られていないが、項目1、2で得られた成果を基に、計算化学による解析を進める準備を整えることができた。以上より、本年度の進捗は、当初計画に沿って順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
25年度の成果を基に、更なるイオニクス材料の開発、ナノ構造情報の取得を進める。
1.ナノ構造情報取得 (a)モデル物質合成: 25年度の課題、リチウム系をさらに発展させる。他元素種のモデル物質へ展開し、合成を行う。特に高圧法や薄膜作成法を用いた合成手法を導入して、イオン導電現象を示す物質合成の選択肢を広げ、イオン導電に関与する様々な構造パラメーターを変化させ、そのナノ構造情報を得るためのモデル系を構築する。(b)ナノ構造解析: 25年度の課題をさらに進める。A01 (ア-ウ)との連携を深め、電子顕微鏡を利用した解析に取り組む。大気非暴露条件での顕微鏡観察法を共同で開発する。イオニクス材料にとって重要な電気化学反応場での構造変化を明らかにするために、放射光表面X線回折測定によりナノ構造情報を収集し、A01の連携で得た情報と統合、解析する。
2.物性開拓: 25年度に得られた薄膜などのモデル化した物質を用いて、ナノ領域におけるイオン導電率、電子伝導率、電気化学反応と構造の相関を詳細に検討する。触媒反応場における構造変化を解析し、電子伝導、イオン導電現象と触媒反応との相関を調べる。A02(エ)と連携し、計算化学の手法を発展させる。合成した物質の構造と物性の相関を、構造解析によるナノ構造情報と、計算化学の物質設計手法を組み合わせることにより明らかにする。
3. 材料探索指針の構築と新物質創成: A02(エ)と連携しイオニクス機能発現の物質構造予測を行い、合成と物性評価による検証を経て、ナノ構造基本情報と共に理論予測にフィードバックする。予測・合成・検証・フィードバックのサイクルを確立し、設計指針を高度化する。モデル系で物質創成手法の確立を目指す研究と平行し、フラッグシップとなるイオニクス材料の創出をめざす。イオニクス材料の物質開拓に、ナノ構造情報と理論予測に基づく設計指針を導入した新たな概念の創出を目標とする。
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