スピンプローブを利用した電気化学界面でのイオン濃度・拡散の解明と理想界面の創成

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01863
• 研究機関: 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発
• 研究代表者: 杉山 純 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 特任研究員 (40374087)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ミュオンスピン回転緩和 / β崩壊検出核磁気共鳴 / イオン拡散 / 磁性 / 界面

研究実績の概要

局所磁気プローブである「正ミュオンスピン回転緩和（μ+SR）」と「8Liのβ崩壊をを検出するβ-NMR」により、各種材料中のイオン拡散を調べた。Li電池正極材料に関しては、負ミュオンを用いるμ-SRも併用して、μ+SRで捉える拡散挙動がLi拡散によることを検証しながら実験を進めた。これらの結果は国際会議3件、国内会議2件の招待講演につながった。
Na電池材料の負極として有望なハードカーボン（非晶質炭素）中のNa拡散挙動を、J-PARCのμ+SRで捉えた。本結果をACS Phys. Chem. Auにて論文発表するとともに、プレスリリースした。Na電池の正極材料であるNa(NiMgMn)O2についても、電気化学測定とμ+SRを組み合わせて、化学拡散係数と自己拡散係数を決定した。同様にK電池材料の負極として有望な黒鉛中のK拡散についてもμ+SRで呼び測定を実施し、拡散挙動を観察した。
光照射により絶縁体から金属に転移するYOHx膜について、金属化機構を解明するために、8でLiを用いたβ-NMRで内部磁場を調べた。光照射した金属化試料では水素拡散による内部磁場の揺動が観測された。これは、一部の水素が価数を変えて電荷担体である電子を放出することを示唆した。これが金属化機構と推定した。本結果をACSのChem. Mater.で論文発表するとともに、プレスリリースした。
電子状態計算ソフトを導入して、物質内でのミュオン位置やミュオン位置での局所スピン密度の計算予測環境を整えつつある。このような計算予測はμ+SRの結果を解釈するのに重要であり、実際に磁性や拡散測定の論文では計算予測値を用いた解析を実施した。
また充放電反応中の拡散係数の変化をμ+SRで測定する「オペランドμ+SR」を実現するための検討を開始した。これにより、電気化学測定では不明だった材料固有の拡散係数を充放電状態を変えながら測定する。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ISIS/STFC(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ISIS/STFC
• [国際共同研究] TRIUMF/UBC(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: TRIUMF/UBC
• [国際共同研究] PSI(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: PSI
• [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology/Chalmers Institute of Technology/Uppsala University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: KTH Royal Institute of Technology/Chalmers Institute of Technology/Uppsala University
• [国際共同研究] Babes-Bolyai University(ルーマニア)
  • 国名: ルーマニア
  • 外国機関名: Babes-Bolyai University
• [雑誌論文] Repeatable Photoinduced Insulator-to-Metal Transition in Yttrium Oxyhydride Epitaxial Thin Films (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Komatsu, R. Shimizu, R. Sato, M. Wilde, K. Nishio, T. Katase, D. Matsumura, H. Saitoh, M. Miyauchi, J. Adelman, R. McFadden, D. Fujimoto, J. Ticknor, M. Stachura, I. McKenzie, G. D. Morris, W. A. Macfarlane, J. Sugiyama, K. Fukutani, S. Tsuneyuki, and T. Hitosugi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: - ページ: 1-8
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03450
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Na Diffusion in Hard Carbon Studied with Positive Muon Spin Rotation and Relaxation (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohishi Kazuki、Igarashi Daisuke、Tatara Ryoichi、Nishimura Shoichiro、Koda Akihiro、Komaba Shinichi、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: ACS Physical Chemistry Au 巻: 2 ページ: 98-107
  • DOI: 10.1021/acsphyschemau.1c00036
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] How Li diffusion in spinel Li[Ni1/2Mn3/2]O4 is seen with μ±SR (2021)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Jun、Ohishi Kazuki、Forslund Ola Kenji、M?nsson Martin、Cottrell Stephen P.、Hillier Adrian D.、Ishida Katsuhiko
  • 雑誌名: Zeitschrift fur Physikalische Chemie 巻: - ページ: 1-18
  • DOI: 10.1515/zpch-2021-3102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Na-ion mobility in P2-type Na0.5MgxNi0.17-xMn0.83O2 (0<=x<=0.07) from electrochemical and muon spin relaxation studies (2021)
  • 著者名/発表者名: Ma Le Anh、Palm Rasmus、Nocerino Elisabetta、Forslund Ola Kenji、Matsubara Nami、Cottrell Stephen、Yokoyama Koji、Koda Akihiro、Sugiyama Jun、Sassa Yasmine、M?nsson Martin、Younesi Reza
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 23 ページ: 24478-24486
  • DOI: 10.1039/D1CP03115E
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Co-existence of short- and long-range magnetic order in LaCo2P2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Forslund Ola Kenji、Andreica Daniel、Ohta Hiroto、Imai Masaki、Michioka Chishiro、Yoshimura Kazuyoshi、M?nsson Martin、Sugiyama Jun
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: 96 ページ: 125864～125864
  • DOI: 10.1088/1402-4896/ac3cf9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 正負のミュオンを使うミュオンスピン回転緩和測定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉山 純
  • 雑誌名: 波紋 巻: 31 ページ: 107-112
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] イオン拡散の測定に何故J-PARCを使うのか？（基調講演） (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉山 純
  • 学会等名: 日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
  • 招待講演
• [学会発表] μ+SR及びSANSによるハードカーボン中のNaイオン拡散 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大石一城, 五十嵐大輔, 多々良涼一, 西村昇一, 幸田章宏, 駒場慎一, 杉山 純
  • 学会等名: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] μSRによるペプチド結合へのプロトネーションとプロトンダイナミクスの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 菅原洋子, A.D. Pant, 杉山 純, 幸田章宏, 髭本亘, 下村浩一郎, 山口宏, 楠木正巳, 山村滋典, 三輪寛子, 鳥養映子, 永嶺謙忠, 神谷健秀
  • 学会等名: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Internal magnetic field studied with negative muon spin rotation and relaxation (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Sugiyama
  • 学会等名: Beam-based Probes of Condensed Matter Physics, Chemistry and Related Fields in Canada
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Muon spin spectroscopy for energy and environment related materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Sugiyama
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021 (Pacifichem 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ion diffusion in solids studied with muons, neutrons, and β-NMR (2021)
  • 著者名/発表者名: Jun Sugiyama
  • 学会等名: The Material Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic moment of rare-earth elements in R2Fe14B estimated with μ+SR (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉山 純
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] 正負のミュオンスピン回転緩和で調べる Li4Ti5O12 のイオンダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉山 純, 大石一城, 梅垣いづみ, 竹下聡史, 中野岳仁, 西村昇一郎, 幸田章宏, 二宮和彦, 久保謙哉
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Development of Transient μSR with J-PARC High-Intensity Muon Beam (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoichiro Nishimura, Akihiro Koda, Hirotaka Okabe, Jun Sugiyama, Jumpei Nakamura, Masatoshi Hiraishi1, Ryosuke Kadono
  • 学会等名: The Material Research Meeting 2021 (MRM2021)
  • 国際学会
• [図書] Muon Spectroscopy - An Introduction (2022)
  • 著者名/発表者名: S. J. Blundell, R. De Renzi, T. Lancaster, F. L. Pratt, J. Sugiyama, et al.
  • 総ページ数: 410
  • 出版者: Oxford University Press
• [備考] Research Gate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Jun-Sugiyama