クラスター内包フラーレンの電子状態解析と高圧導電性の評価

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05477
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 宮崎 隆文 岡山大学, 安全衛生推進機構, 教授 (70260156)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 電気伝導度 / 超高圧

研究実績の概要

研究計画の３年目では、超高圧（5GPa以上）条件下での直流４端子法での電気伝導度測定の実験計画を進め、クラスタ－内包フラ－レンおよびその関連物質への適用とその実証試験を行った。超高圧条件下での実験ではスクリュ－加圧式ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を使い、0～70GPaまでの超高圧発生を確認し、1K～室温までの電気伝導度、Ｘ線回折および磁性の圧力依存性の測定実験が可能となった。そこで、高圧力下で高い電気伝導性を示す関連物質である(EDA)yMxFeSeおよび(EDA)yMxFeSe0.5Te0.5（M= アルカリ金属）、Ca0.5Sr0.5C6、AgxBi2－xSe3、(NH3)yNaxFeSeの各試料について測定実験を行った。その結果、これらの電気伝導度の圧力－温度依存性が明らかとなり、超伝導性に関する新たな知見が収集された。一方、フラ－レンＣ80ケ－ジ内にSc3Nを挿入したSc3N@C80の粉末試料について、0～15GPaまでのＸ線回折ピ－クの圧力依存性を観測した結果、7GPa付近までは単調にピ－クシフトしたが、7GPa以上では新たなピークの出現などが観測された。これは高圧力による化学変化が起こったと推察される。また、電気伝導度測定では絶縁フィルム上に電極間0.05mmの４電極を配線したシ－トの上にSc3N@C80粉末試料を置き、ダイヤモンドアンビルで直接挟んで加圧した。その結果、0～7GPaの昇圧時に電気伝導度の大幅な増加が認められ、7GPaでは常圧時よりも約5桁の電気伝導性の増加を観測した。その後、降圧すると電気伝導度は常圧時に戻ったことから、圧力によって重合などの化学反応は進行せず、圧力効果によって電気伝導性が向上したと考えられる。これらの研究成果の一部については、関連する学会にて６件の研究発表および１件の国際会議、４件の学術論文として発表済みである。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

研究計画の３年目では、極低温および超高圧の条件下で、超伝導性を評価することが主目標であった。その際、クラスタ－内包フラ－レンとの関連物質について先行実験を行い、(EDA)yMxFeSeおよび(EDA)yMxFeSe0.5Te0.5（M= アルカリ金属）、Ca0.5Sr0.5C6、AgxBi2－xSe3、(NH3)yNaxFeSeの各試料について、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）高圧発生装置を使って0～70 GPa の電気伝導度測定に成功し、超伝導性の発現に関する新たな知見を得ることができた。また、上記と同様にDACを使って、Sc3N@C80の粉末X線構造回折実験（0～15GPa）および室温条件下での電気伝導度（0～7GPa）の測定実験に成功した。その結果、7GPaでは常圧時よりも5桁程の電気伝導度が増加し、減圧すると電気伝導性は常圧時に戻ったことから圧力によって重合などの化学反応は進行せず、圧力効果によって電気伝導性が向上したと考えられる。これらの研究成果は当初の実験計画に到達するものであるが、さらに詳細で緻密な測定実験を行うことで達成度はさらに高位に至るであろう。研究期間を１年延長して研究実験を進め、それら含めた研究成果を最終報告として総括したい。

今後の研究の推進方策

研究計画の延長によって、超高圧条件下での電気伝導性の再現性や極低温（10K以下）までの温度を変化させて極低温－超高圧における電気伝導性の追加実験の実施や関連する学会発表や論文投稿などによって補助事業の目的をより精緻に達成することができるであろう。また、ルテチウム内包フラ－レンについても、ケ－ジサイズ、内包されたルテチウムの酸化状態、ケージへの電荷移動などの知見を得るため、シンクロトロン放射光を使った光電子分光測定を継続して実験計画中である。最後に、得られた実験結果および考察結果を総括する予定である。

次年度使用額が生じた理由

研究計画の延長によって、追加実験の実施および関連する学会発表のための旅費や論文投稿のための経費として次年度へ95,471円を繰り越した。

研究成果

• [雑誌論文] Pressure dependence of superconductivity in low- and high-Tc phases of (NH3)yNaxFeSe (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Terao, Xiaofan Yang, Xiao Miao, Lu Zheng, Hidenori Goto, Takafumi Miyazaki, Hitoshi Yamaoka, Hirofumi Ishii, Yen-Fa Liao, and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 094505-1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.094505
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced superconductivity in AgxBi2－xSe3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Tong He, Xiaofan Yang, Takahiro Terao, Takaki Uchiyama, Teppei Ueno, Kaya Kobayashi, Jun Akimitsu, Takafumi Miyazaki, Takumi Nishioka, Koji Kimura, Kouichi Hayashi, Naohisa Happo, Hitoshi Yamaoka, Hirofumi Ishii, Yen-Fa Liao, Hiromi Ota, Hidenori Goto, and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 104503-1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.104503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation and characterization of a new graphite superconductor: Ca0.5Sr0.5C6 (2017)
  • 著者名/発表者名: Saki Nishiyama, Hidenori Fujita, Masatoshi Hoshi, Xiao Miao, Takahiro Terao, Takafumi Miyazaki, Hidenori Goto, Tomoko Kagayama, Katsuya Shimizu, Hitoshi Yamaoka, Hirofumi Ishii, Yen-Fa Liao and Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 7436-7446
  • DOI: 10.1038/s41598-017-07763-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of new superconductors by metal doping of two-dimensional layered materials using ethylenediamine (2017)
  • 著者名/発表者名: Xiao Miao, Takahiro Terao, Xiaofan Yang, Saki Nishiyama, Takafumi Miyazaki, Hidenori Goto, Yoshihiro Iwasa, Yoshihiro Kubozono
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 014502-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.014502
  • 査読あり
• [学会発表] ルテチウム内包フラーレンの電子構造と電荷移動 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮崎隆文, 脇田高徳, 横谷尚睦, 篠原久典, 日野照純
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Structure and transport properties of metal-doped Bi2Se3 topological insulators under high pressure (2017)
  • 著者名/発表者名: Tong He, Takahiro Terao, Hidenori Goto, Takafumi Miyazaki, Teppei Ueno, Kaya Kobayashi, Jun Akimitsu, Hitoshi Yamaoka, Hirofumi Ishii, Yen-Fa Liao, Yoshihiro Kubozono
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Electronic structures of novel endohedral fullerene materials (2017)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Miyazaki
  • 学会等名: International conference on chemistry and materials science
  • 国際学会 / 招待講演