水素イオンビームによる機能性ナノ薄膜の創成

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05832
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 前里 光彦 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60324604)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 水素イオンビーム / 酸化物 / 薄膜 / 同位体効果

研究実績の概要

これまでに独自に開発した水素イオンビーム照射装置を用いて、低温での水素イオンビーム照射および温度可変in situ物性測定を行った。また、水素ガスを重水素ガスに置換することにより、重水素のドーピングも行った。
酸化亜鉛や酸化チタンなどの機能性酸化物薄膜を中心に、高濃度水素ドープによる物性制御を行った。7 Kの低温で5keVの水素イオンを照射することにより、ZnO薄膜の抵抗が約６桁も減少することを見出した。一方、同じく7 Kの低温で5keVの重水素イオンを照射したところZnO薄膜の抵抗は1桁程度しか変化せず、巨大な同位体効果を示すことが明らかになった。さらに、水素（重水素）イオン照射後に室温まで昇温することにより、抵抗が1桁（5桁）減少した。すなわち、昇温による抵抗減少にも巨大な同位体効果が現れた。この特異な現象は、イオン照射により準安定な（重）水素のトラップサイトが出来るためと考えられ、昇温により（重）水素が拡散し、侵入型水素となり電子をドープすると考えられる。ex situでのSIMS（二次イオン質量分析法）による分析やホール効果測定、およびイオンビームの加速電圧依存性などの詳細な測定によって、それを支持する結果を得た。
RFスパッタ装置を用いてルチルTiO2の薄膜作製に成功した。それを用いて水素イオンビーム照射とin situ伝導度測定を行った。室温での水素ドープによってTiO2の顕著な抵抗減少を確認した。その後、低温50Kまたは100Kでの水素イオンビーム照射により、抵抗が増加することや、温度履歴と低温水素ドープにより抵抗のスイッチングが出来ることを見出した。

研究成果

• [雑誌論文] Canting Antiferromagnetic Spin-Order (TN = 102 K) in a Monomer Mott Insulator (ET)Ag4(CN)5 with a Diamond Spin-Lattice (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Otsuka, Y. Shimizu, G. Saito, M . Maesato, A. Kiswandhi, T. Hiramatsu, Y. Yoshida, H. Yamochi, M. Tsuchiizu, Y. Nakamura, H. Kishida, H. Ito
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 93 ページ: 260-272
  • DOI: 10.1246/bcsj.20190279
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular diamond lattice antiferromagnet as a Dirac semimetal candidate (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimizu, A. Otsuka, M. Maesato, M. Tsuchiizu, A. Nakao, H. Yamochi, T. Hiramatsu, Y. Yoshida, G. Saito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 174417
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.174417
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Pressure Effect on A Proton-Conducting Metal-Organic Framework, LaCr(C2O4)3・10H2O (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, Y. Asakawa, M. Maesato, N. Hirao, S. Kawaguchi, Y. Ohishi, H. Kitagawa
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 48 ページ: 746-748
  • DOI: 10.1246/cl.190240
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conducting Coronene Cation Radical Salt Containing Magnetic Metal Ions (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoshida, M. Maesato, G. Saito, H. Kitagawa
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 ページ: 14068-14074
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02080
  • 査読あり
• [雑誌論文] Partial Substitution of Ag(I) for Cu(I) in Quantum Spin Liquid κ-(ET)2Cu2(CN)3, Where ET Is Bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoshida, M. Maesato, S. Tomeno, Y. Kimura, G. Saito, Y. Nakamura, H. Kishida, H. Kitagawa
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 ページ: 4820-4827
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b03251
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Novel Platinum(III)-Platinum(III) Neutral Dimer Complex, Pt2(cdtb)4I2 (cdtb: 4-Cyanodithiobenzoate) (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Moriyama, K. Otsubo, K. Aoki, M. Maesato, K. Sugimoto, H. Kitagawa
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 48 ページ: 1035-1037
  • DOI: 10.1246/cl.190355
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bis(ethylenedithio)tetrathiafulvalene Cation Radical Salts Composed of Non-Uniform Silver(I) Complex Polyanions (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoshida, M. Maesato, Y. Nakamura, M. Ishikawa, H. Yamochi, G. Saito, H. Kishida, H. Kitagawa
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 ページ: 16703-16711
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02814
  • 査読あり
• [学会発表] Low Temperature Hydrogen Ion Beam Irradiation for Exploring Exotic Physical Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiko Maesato, Ryo Nakayama, GyeongCheol Lim, Takahito Terashima, Hiroshi Kitagawa
  • 学会等名: 1st International Symposium “Hydrogenomics” combined with 14th International Symposium Hydrogen & Energy
• [学会発表] Artificial Control of Materials Properties (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiko Maesato
  • 学会等名: Zhou Huijiu Forum
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Artificial Control of Materials Properties (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiko Maesato
  • 学会等名: Nanjing University - Kyoto University Bilateral Workshop: Functional Molecular Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] New Spin Liquid Candidates Based on BEDT-TTF (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Maesato, Y. Yoshida, S. Tomeno, Y. Kimura, A. Kiswandhi, Y. Nakamura, H. Kishida, Y. Shimizu, G. Saito, H. Kitagawa
  • 学会等名: 13th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM)
• [学会発表] 低温水素イオンビーム照射による高濃度水素ドープとin situ物性測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 前里 光彦, 中山 亮, GyeongCheol Lim, 寺嶋 孝仁, 北川 宏
  • 学会等名: 第13回物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)