金属ドーピングによる正20面体とサッカーボールを持つボロン系新物質開発と電子物性

1992 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 04805067
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 木村 薫 東京大学, 工学部, 助教授 (30169924)
• 研究分担者: 井野 博満 東京大学, 工学部, 教授 (20029466)
• キーワード: 半導体 / 準結晶 / 近似結晶 / ボロン / カーボン60 / 正20面体 / ドーピング

研究概要

(1)α、β菱面体晶ボロンの構造を正20面体準結晶の0/1-2/0菱面体晶近似結晶として解析し、準結晶の2つの単位胞構造を決定した。この準結晶構造の凝集エネルギーを分子軌道法により計算した結果、α、β菱面体晶ボロンに対する値の間になり、準結晶が実現することが分かった。
(2)α菱面体晶ボロンの体対角線上に酸素、炭素、リン等が入ったときの構造パラメータ、特に正20面体クラスターの歪の変化を調べた結果、炭素を10at.%程度含む場合に歪がほとんどなくなることが分かった。
(3)上記2つの結果から、炭素を0〜10at.%含むボロンのアモルファス相を電子ビーム蒸着により作成し、それを1000〜1500℃でアニールして、相変態を調べた。その結果、炭素3〜7at.%において、新しい近似結晶である0/1-0/1-1/0斜方晶近似結晶を発見した。
(4)β菱面体晶ボロンの構造をカーボン60の面心立方晶の構造と比較したところ、幾何学的には相似な構造であることが分かった。β菱面体晶ボロンに、蒸気法によりリチウムを、アーク溶解により銅を数at.%ドープすることに成功した。いずれの場合も、格子定数が最大で1%弱増大し、室温での電気伝導率は最大で5桁増大した。しかし、カーボン60とは異なり、伝導率の温度依存性は金属的とはならず、可変領域ホッピング伝導と考えられる温度依存性を示した。これはドープされた電子が、正20面体クラスターのクラスター内軌道に起因する高密度内因性アクセプター準位に入り、その準位が局在していたためと考えられる。さらに、ドーピングにより、磁化率の温度依存性にはほとんど変化がなく、ドープされたキャリアはスピンを持たないと考えられる。つまり、バイポーラロンを形成している可能性がある。
以上の結果から、今後半導体準結晶実現の可能性が見出され、また、2価以上の金属ドーピングにより金属相が得られる可能性が得られた。

研究成果

• [文献書誌] K.KIMURA,A.HORI,H.YAMASHITA,H.INO: "CRYSTALLINE STRUCTURES AS AN APPROXIMANT OF QUASICRYSTAL AND DISTORTION OF B_<12> ICOSAHEDRON IN BORONーRICH SOLIDS" Phase Transitions. (1993)
• [文献書誌] K.KIMURA,A.HORI,M.TAKEDA,H.YAMASHITA H.INO: "POSSIBILITY OF SEMICONDUCTING QUASICRYSTAL IN BORONーRICH SOLIDS" Journal of NonーCrystalline Solids. (1993)
• [文献書誌] M.TAKEDA,A.HORI H.YAMASHITA,K.KIMURA: "POSSIBILITY OF SEMICONDUCTING QUASICRYSTAL IN BORONーRICH SOLIDS-Cohesive Energy Calculation and Transformation from morphous Phase-" Materials Transactions,JIM.(1993)
• [文献書誌] A.HORI,K.KIMURA T.TADA,M.TAKEDA H.YAMASHITA: "OPTICAL PROPERTIES OF QUASICRYSTALLINE APPROXIMANT BORONーRICH SOLIDS" Journal of NonーCrystalline Solids. (1993)
• [文献書誌] K.KIMURA: "STRUCTURE AND PROPERTIES OF BORONーRICH SOLIDS CONSTRUCTED OF ICOSAHEDRAL AND SOCCERーBALL CLUSTERS" Materials Science & Engineering. (1993)
• [文献書誌] 木村 薫: "正20面体とサッカーボール・クラスターを持つアモルファス的ボロン系固体の構造と物性" 固体物理. 27. 900-907 (1992)