軽元素修飾による局在量子構造と材料設計

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12130203
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 森永 正彦 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (50126950)
• 研究分担者: 中松 博英 京都大学, 化学研究科, 助手 (00150350) ; 村田 純教 名古屋大学, 工学研究科, 助教授 (10144213) ; 田中 信夫 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40126876)
• キーワード: 軽元素 / 水素 / リチウム / 局在量子構造 / 電子状態 / 材料設計 / 酸化物 / カーボンナノチューブ

研究概要

水素やリチウムなどの軽元素は、金属酸化物を始めとする種々の物質の中で、特異な局在量子構造を持つ。これが水素吸蔵、プロトン伝導リチウムのインターカレーションなどの特異な現象を引き越す原因であると考えられる。本研究では、このような軽元素を含有する局在量子構造を、「量子かご」と呼び、その新しい学理を確立し、新規機能材料の設計指針を得ることを目的としている。平成13年度に得られた成果は、次の通りである。
(1)擬ポテンシャル法を用いて、プロトン伝導性酸化物SrZrO_3のプロトンの安定位置を求めた。また、全エネルギー計算による構造最適化を行い、プロトンおよびドーパントイオンの周りのイオン配置を調べた。
(2)カーボンナノチュブ中へのリチウムの吸蔵を調べ、Li吸蔵エネルギーはカーボンナノチュブの直径とともに変化し、直径が約0.8nmを越えると、外部吸蔵と内部吸蔵のLi吸蔵エネルギーは、ほぼ一致することが分かった。
(3)ZnO及びこれにドーバンを入れた試料を作製し、水素修飾による電気抵抗の変化を測定する実験を開始した。
(4)ペロブスカイト型マンガン酸化物の低温相での電荷配列現象を、角度分解EELSで調べた。また、ゼオライトを鋳型としたスーパー結晶を作製し、10nm以上の単位胞中の空洞に関係する局所電子状態をEELSで捉えることに成功した。
(5)L濃度の異なる物質的をモデル化して、種々のLiクラスターを検討した。局在量子構造およびLiが配置する原子の電子構造が、クラスター内Li原子数によって、大きく変化した。これは酸素などの軽原子でも見られなかったことで、Li内殻球が隣接原子を反発する力が弱く、配位構造に依存しているためと考えられる。内殻と価電子のエネルギーの空間的拡がりの差が少ないLi原子で起こる特異なことと解釈した。

研究成果

• [文献書誌] Y.Liu, T.Fujiwara, H.Yukawa, M.Morinaga: "Alloying Effect on Electronic Structures of Lithium Intercalation Compounds"Computational Materials Science. 22. 309-317 (2001)
• [文献書誌] Y.Liu, T.Fujiwara, H.Yukawa, M.Morinaga: "Chemical Bonding in Lithium Intercalation Compound Li_xMn_2O_4(x=0,1,2)"Electrochimica Acta. 46. 1151-1159 (2001)
• [文献書誌] M.Morinaga, Y.Murata, R.Hashizume, Y.Sawaragi: "Remarkable Improvement in Steam Oxidation Resistance due to the Presence of Sulfur in High Cr Ferritic Steels"ISIJ International. 41. 314-316 (2001)
• [文献書誌] M.Morinaga, H.Yukawa, K.Nakatsuka, M.Takagi: "Roles of Constituent Elements and Design of Hydrogen Storage Alloys"Journal of Alloys and Compounds. 330. 20-24 (2002)
• [文献書誌] Y.Yoshino, Y.Liu, K.Tatsumi, I Tanaka, M.Morinaga, H.Adachi: "Enegetics of Hydrogen States in SrZrO_3"Materials Transcations. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] Y.Murooka, K.Tsuda, N.Tanaka, M.Hibino, M.Tanaka: "Charge-Ordered Manganese Oxide Studied by Omega-Filter-Angular Resolved EELS"Proc. 59th Annual Meeting of Microscopy Society of America. 1146-1147 (2001)
• [文献書誌] H.Yukawa, M.Morinaga: "Advances in Quantum Chemistry, vol.37(Characteristics of Electronic Structures in Hydrogen Storage Alloys)(分担執筆)"Academic Press. 193-212 (2001)