BiCh2系層状化合物における機能性発現と化学圧力効果の相関解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04493
• 研究機関: 首都大学東京
• 研究代表者: 水口 佳一 首都大学東京, 理工学研究科, 助教 (50609865)
• 研究分担者: 三浦 章 北海道大学, 工学研究院, 助教 (10603201) ; 寺嶋 健成 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特別契約職員(講師) (20551518)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: BiS2系超伝導 / 熱電変換材料 / 層状化合物 / 化学圧力 / 電子状態 / 局所構造 / Ｘ線回折 / 光電子分光

研究実績の概要

BiS2系層状化合物の超伝導特性と熱電変換性能に関して，化学圧力効果の観点から解明することを目指し，新物質の創出，物性評価，局所構造および電子状態の解明を行った．
平成28年度は，Eu0.5La0.5FBiS2-xSex系を新規に合成し，Se置換によってバルク超伝導が発現することを見出した．本系の局所構造と電子状態を，放射光Ｘ線回折および放射光Ｘ線吸収分光，光電子分光を用いて解明した．Eu0.5La0.5FBiS2-xSex系ではSe置換により超伝導面内の局所乱れが抑制され，同時にブロック層のEu価数揺動も抑制されることがわかった．化学圧力の印加により，Euイオンの価数が2.4＋から2.1＋へと減少するため，Euから供給されるキャリアが減少することがわかった．すなわち，化学圧力上昇による超伝導発現は，キャリア量の増加ではないと考えられる．よって，超伝導発現の要素が，面内化学圧力上昇による面内局所構造乱れの抑制であることがわかった．
熱電変換材料として，REOBiCh2（Ch = S, Se）系の熱電物性および電子状態・局所構造の研究を行った．REOBiCh2系では，LaOBiS2にSeを置換することで高熱電変換性能が発現する．よって，化学圧力効果と電子状態・局所構造の相関を見出すことが特性向上において重要である．平成28年度は，熱電物性とバンド計算・光電子分光から得られた電子状態の相関を議論した．Se置換によりバンドギャップが狭くなることを見出し，さらにフェルミ準位近傍での電子状態についても詳細に測定を行った．
新規機能性材料開発を目指して物質探索を行ったところ，LaOInS2を発見した．

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

新物質（Eu0.5La0.5FBiS2-xSex）の合成に成功したことと，超伝導発現条件として面内の局所構造乱れの抑制がが重要であることを見出したことから，研究計画で示した研究目標を達成できていると考える．また，新規物質LaOInS2を発見し，化学圧力をパラメータとした光電子分光による電子状態評価が順調に進んでいるため，本研究は順調に進展していると考える．

今後の研究の推進方策

初年度に得られた研究成果から，同様の手法でBiS2系の新物質をデザインできている．よって，平成29年度はEu0.5La0.5FBiS2-xSex系の周辺物質での物質開発および物性評価を系統的に行うことで，より詳細な「化学圧力効果と機能性の相関」が解明できると考えている．
新物質LaOInS2の物性を解明するとともに，周辺物質の探索を行う．
熱電材料としての特性向上を目指すために，化学圧力を系統的に変化させた系（REOBiCh2系）の光電子分光・Ｘ線吸収分光実験を継続して推進する．

研究成果

• [国際共同研究] Sapienza University of Rome(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Sapienza University of Rome
• [国際共同研究] ALBA(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: ALBA
• [国際共同研究] ESRF(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ESRF
• [国際共同研究] Virginia University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Virginia University
• [雑誌論文] Discovery of BiS2-Based Superconductor and Material Design Concept (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: Condens. Matter 巻: 2 ページ: 6-1-10
  • DOI: 10.3390/condmat2010006
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Role of the local structure in superconductivity of LaO0.5F0.5BiS2-xSex system (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Paris, Y. Mizuguchi, M. Y. Hacisalihoglu, T. Hiroi, B. Joseph, G. Aquilanti, O. Miura, T. Mizokawa, N. L. Saini
  • 雑誌名: J. Phys.: Condens. Matter 巻: 29 ページ: 145603-1-7
  • DOI: 10.1088/1361-648X/aa5e97
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evolution of Eu valence and superconductivity in layered Eu0.5La0.5FBiS2-xSex system (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi, E. Paris, T. Wakita, G. Jinno, A. Puri, K. Terashima, B. Joseph, O. Miura, T. Yokoya, N. L. Saini
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 064515-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.064515
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synchrotron powder X-ray diffraction and structural analysis of Eu0.5La0.5FBiS2-xSex (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaka, G. Jinno, O. Miura, A. Miura, C. Moriyoshi, Y. Kuroiwa, Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: J. Phys.: Conf. Ser. 巻: 「印刷中」 ページ: 「印刷中」
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bi Substitution Effects on Superconductivity of Valence-Skip superconductor AgSnSe2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Hijikata, A. Nishida, K. Nagasaka, O. Miura, A. Miura, C. Moriyoshi, Y. Kuroiwa, Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 「印刷中」 ページ: 「印刷中」
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic structure of self-doped layered Eu3F4Bi2S4 material revealed by x-ray absorption spectroscopy and photoelectron spectromicroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: E. Paris, T. Sugimoto, T. Wakita, A. Barinov, K. Terashima, V. Kandyba, O. Proux, J. Kajitani, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, Y. Aoki, T. Yokoya, T. Mizokawa, N. L. Saini
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 035152-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.035152
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ce 4f electronic states of CeO1-xFxBiS2 studied by soft x-ray photoemission spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Wakita, K. Terashima, T. Hamada, H. Fujiwara, M. Minohara, M. Kobayashi, K. Horiba, H. Kumigashira, G. Kutluk, M. Nagao, S. Watauchi, I. Tanaka, S. Demura, H. Okazaki, Y. Takano, Y. Mizuguchi, O . Miura, K. Okada, Y. Muraoka, T. Yokoya
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 085109-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.085109
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bulk Superconductivity Induced by In-plane Chemical Pressure Effect in Eu0.5La0.5FBiS2-xSex (2016)
  • 著者名/発表者名: G. Jinno, R. Jha, A. Yamada, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, Y. Aoki, M. Nagao, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 124708-1-6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.074702
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Discovery of new BiCh2-based layered superconductor Sr0.5La0.5FBiSe2 and anomalous insulating states competing with superconductivity (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: Supercond. Sci. Technol. 巻: 29 ページ: 070501-1-2
  • DOI: 10.1088/0953-2048/29/7/070501
• [雑誌論文] Electronic Origins of Large Thermoelectric Power Factor of LaOBiS2－xSex (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Nishida, H. Nishiate, C. H. Lee, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 074702-1-3
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.074702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Specific Heat and Electrical Transport Properties of Sn0.8Ag0.2Te Superconductor (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi, A. Yamada, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, Y. Aoki, O. Miura, M. Nagao
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 103701-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.103701
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Determination of the local structure of CsBi4-xPbxTe6 (x=0, 0.5)by X-ray absorption sepctroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Wakita, E. Paris, M. Y. Hacisalihoglu, K. Terashima, H. Okazaki, O. Proux, I. Keieffer, E. Lahera, W. Del Net, L. Olivi, Y. Takano, Y. Muraoka, T. Yokoya, N. L. Saini
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 18 ページ: 25136-25142
  • DOI: 10.1039/c6cp04949d
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Crystal and electronic structures of LaOBiS2 and LaOInS2 (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Miura, Y. Mizuguchi, C. Moriyoshi, Y. Kuroiwa, M. Higuchi, K. Tadanaga
  • 学会等名: 12th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 12)
  • 発表場所: Hawai (USA)
  • 年月日: 2017-05-21 – 2017-05-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] BiS2系超伝導体の面内化学圧力効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一，長坂幸平，陣野玄，土方雄大，三浦大介
  • 学会等名: 日本物理学会平成28年度年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（豊中キャンパス）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] 新しい金属カルコゲナイド系超伝導体の探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 土方雄大, 三浦大介, 水口佳一
  • 学会等名: 日本物理学会平成28年度年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（豊中キャンパス）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] BiS2系層状化合物における超伝導 －局所構造制御の重要性－ (2017)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 学会等名: 広島大・第500回物性セミナー
  • 発表場所: 広島大学（東広島キャンパス）
  • 年月日: 2017-01-11 – 2017-01-11
• [学会発表] How to cook new BiS2-based superconductors with a higher Tc (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuguchi
  • 学会等名: IWSRFM2016
  • 発表場所: NIMS（千現キャンパス）
  • 年月日: 2016-12-20 – 2016-12-22
  • 国際学会
• [学会発表] High thermoelectric performance in BiS2-based LaOBiCh2 (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Nishida, O. Miura, C. H. Lee, Y. Mizuguchi
  • 学会等名: IWSRFM2016
  • 発表場所: NIMS（千現キャンパス）
  • 年月日: 2016-12-20 – 2016-12-22
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of Tc by Bi substitution in AgSn1-xBixSe2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Hijikata, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 学会等名: IWSRFM2016
  • 発表場所: NIMS（千現キャンパス）
  • 年月日: 2016-12-20 – 2016-12-22
  • 国際学会
• [学会発表] Photoemission study of LaOBiS2 and LaOBiSSe (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Yano
  • 学会等名: IWSRFM2016
  • 発表場所: NIMS（千現キャンパス）
  • 年月日: 2016-12-20 – 2016-12-22
  • 国際学会
• [学会発表] Bulk superconductivity induced by in-plane chemical pressure effect in the Eu0.5La0.5FBiS2-xSex system (2016)
  • 著者名/発表者名: G. Jinno, R. Jha, A. Yamada, R. Higashinaka, T. D. Matsuda, Y. Aoki, M. Nagao, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 学会等名: ISS2016
  • 発表場所: 東京国際フォーラム
  • 年月日: 2016-12-13 – 2016-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] Evolution of superconductivity and metallic conductivity by chemical pressure effect in REO0.5F0.5BiCh2 superconductors (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaka, O. Miura, Y. Mizuguchi
  • 学会等名: ISS2016
  • 発表場所: 東京国際フォーラム
  • 年月日: 2016-12-13 – 2016-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] BiS2系層状化合物における超伝導と高熱電性能の発現条件 (2016)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 学会等名: TMUシンポジウム「U系およびBiS2系の物理の最近の発展」
  • 発表場所: 首都大学東京（南大沢キャンパス）
  • 年月日: 2016-11-28 – 2016-11-28
  • 招待講演
• [学会発表] BiCh2系層状化合物LaOBiS2-xSexの熱電物性と結晶構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一, 西田篤弘, 三浦大介, 三浦章, 西当弘隆, 李哲虎
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（角間キャンパス）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] RE(O,F)BiS2超伝導体における化学圧力と輸送特性の相関 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長坂康平，三浦大介，水口佳一
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（角間キャンパス）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] LaOBiS2-xSexにおける熱電性能向上の起源 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西田篤弘, 三浦大介, 河村聖子, 中島健次, 中村充孝, 西当弘隆, 李哲虎，水口佳一
  • 学会等名: 熱電学会2016年学術講演会
  • 発表場所: 東京理科大学（葛飾キャンパス）
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-07
• [学会発表] 岩塩型構造を有する新しい Bi カルコゲナイドの探索 (2016)
  • 著者名/発表者名: 水口佳一
  • 学会等名: 新学術領域J-Physics領域会議
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2016-05-26 – 2016-05-28
• [備考] 首都大学東京 超伝導物質研究室 ホームページ （研究業績）
  • URL: http://www.comp.tmu.ac.jp/eeesuper/mizuguchilab/activities.html