| 研究領域 | ３Ｄ活性サイト科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
26105002
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
福村 知昭 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (90333880)
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| 研究分担者 |
内富 直隆 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (20313562)
白方 祥 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (10196610)
成塚 重弥 名城大学, 理工学部, 教授 (80282680)
Lippmaa Mikk 東京大学, 物性研究所, 准教授 (10334343)
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| 研究期間 (年度) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| キーワード | 薄膜 / エピタキシャル成長 / 電子・光機能 / スピントロニクス / 酸化物エレクトロニクス / 半導体 / グラフェン / 超伝導体 |
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| 研究実績の概要 |
室温強磁性半導体Mn:ZnSnAs2薄膜に関連して、Crドープの場合に関して第一原理計算による磁性の評価を行った結果、室温強磁性半導体となりえることがわかった。太陽電池材料Cu(In,Ga)Se2では、単結晶の蛍光X線ホログラフィー測定の結果、InとGa原子を識別不能なもののSe原子を明瞭に観測でき、組成に依存した局所構造の変化を見出した。可視光応答光触媒RhドープSrTiO3では、蛍光X線ホログラフィーでRhサイトの局所構造を調べた結果、Rh-VO-RhクラスターとTi-Rh-Ti金属クラスターという二つの主な欠陥構造を同定することができた。高移動度電子伝導を示すことが知られているLaAlO3/SrTiO3ヘテロ界面を変調したSrTiO3/Ir:SrTiO3/LaAlO3ヘテロ構造では特異な磁気伝導が見られているが、国際連携による構造評価によりIrの界面拡散が観測された。別のIr酸化物であるパイロクロア構造Pr2Ir2O7においても、Ir由来の欠陥が電子伝導や誘電性に影響を及ぼしていることがわかった。グラフェンの直接析出成長のその場X線回折測定から、昇温過程において、アモルファスカーボンがNi触媒中へ固相拡散してWC相が形成され、降温過程でグラフェンが形成されることを示唆する、これまで不明であったグラフェンの直接析出成長メカニズムに関する知見が得られた。最近、新希土類酸化物YOなど二価の希土類元素の単酸化物がエピタキシャル薄膜として得られた。YOの蛍光X線ホログラフィー測定により岩塩構造と同定することができた。初合成したSmOエピタキシャル薄膜では価数揺動と近藤効果が見られヘビーフェルミオン金属と同様の挙動を示した。高圧下でのみ価数揺動と金属相を示すSmS、SmSe、SmTeが、一番小さいアニオンをもつSmOでは大気圧で同様の性質を示すというケミカルトレンドを示している。
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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
先端半導体や先端機能材料を作製して3次元原子構造解析を行い、その結果をフィードバックして高性能かつ高機能を有する３Ｄ活性サイト材料の創製に資することが本研究の目的である。そのために、ドーパント活性サイトの創製と構造の解明、表面・界面活性サイトの創製と構造・電子状態の解明等、を試みている。これまで、化学ドープによるキャリア量制御やバンドエンジニアリング、遷移金属ドープによる室温強磁性半導体の開発、成長ダイナミクス制御によるナノ構造の作製、量子ヘテロ接合の作製、2次元材料の作製、等を進め、各種ホログラフィー手法などの構造解析を行ってきた。軽元素を含まない化合物半導体では、高い精度で3次元局所構造を測定することが可能になり、CIGS系材料では様々な組成における結晶構造のデータが蓄積されている。また、軽元素の酸素を含む酸化物でも、アルゴリズムの改善により、場合によっては酸素の観測が可能になってきた。Rhの価数によって触媒特性が異なっていたRhドープSrTiO3では、価数によってRh付近の局所構造が本質的に異なることまでわかり、価数の異なるドーパントが電子状態にも影響を及ぼすことが明らかになりつつある。すなわち、ホログラフィー的手法で初めて明らかになったドーパントの局所構造とドーパントの価数がマクロな触媒特性と密接に関わることがわかりはじめてきた。一方、結晶成長のその場観察による大面積グラフェンの作製、構造の同定と第一原理計算による新たな室温強磁性半導体CrドープZnSnAs2の予言、および二価の希土類イオンをもつ様々な希土類単酸化物の合成と新物性、など、これまでの構造測定・解析が新たな機能性材料の創製へとつながりつつある。以上のように、試料の作製および構造解析から、試料の局所構造と物性・機能、さらに新物質・機能の創製まで、様々な研究へと展開している。
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| 今後の研究の推進方策 |
強磁性体の材料開発については、第一原理計算の結果をもとにCr:ZnSnAs2のMBEによる結晶成長を検討する予定である。太陽電池材料Cu(In,Ga)Se2については、蛍光X線ホログラフィーによる広範な組成領域での局所構造の組成依存性を調べ、局所構造と光学特性の相関を明らかにする。赤色LED窒化物半導体GaN:Euについては、ヘテロエピタキシャル薄膜とホモエピタキシャル薄膜のEu3+発光中心の蛍光X線ホログラフィー測定により、格子歪みがEu3+発光中心の局所構造に与える影響を調べる。グラフェンについては、薄膜成長様式の知見から、触媒成長に加えて無触媒成長法を開発し、より大面積のグラフェン成長に挑戦する。可視光応答光触媒Rh:SrTiO3については、Rh付近の詳細な局所構造が初めて明らかになったため、その欠陥と光触媒特性の関係を調べることで、光触媒特性の高効率化へとつなげる。そして、同様の性質を示すIrドープSrTiO3についても局所構造解析を進める。これらの結果は、酸化物中における白金族元素サイトに関わる欠陥が物性に大きく影響することを示唆している。希土類単酸化物の合成を進めているが、そのほとんどは新物質もしくは初エピタキシャル薄膜であるため、それらの基礎物性を明らかにすることで、新しい電子材料としてのポテンシャルを開拓する。また、昨年見つかったBi正方格子を含む超伝導体Y2O2Biについては、希土類元素の化学置換を行い、また領域内の連携による中性子回折測定等で詳細な構造を調べ、従来超伝導体に見られるキャリアドープによる超伝導発現とは異なる超伝導の発現メカニズムを解明する。以上、化合物半導体、窒化物半導体、酸化物半導体、グラフェン等の機能性材料の合成および構造解析から、これらの材料の示す様々な機能と局所構造の関係を明らかにし、機能向上に役立て、新材料開発にもつなげる。
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