中性子とX線回折法による水素結合型有機誘電物質の圧力誘起強誘電性の解明

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K03728
• 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: 中尾 朗子 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, 副主任研究員 (90392050)
• 研究分担者: 宗像 孝司 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, 副主任技師 (00363408)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 中性子回折 / 水素結合型有機強誘電体 / 結晶構造解析

研究実績の概要

本研究では，水素結合型強誘電体における誘電性を担うプロトンダイナミクスの観測を目的とした中性子および放射光X線回折法を用いた構造研究を展開し，特に圧力効果におけるプロトン移動による構造変化を捉えるために低温・圧力試料環境下における単結晶中性子構造解析の構築を行っている。これまでにアモルファスな材質で作成した圧力セルを用いて実施した[2,5-Difluoro-3,6-dihydroxy-1,4-benzoquinone][H2fa]の単結晶中性子回折実験データから精密な水素の構造パラメータを得るために，圧力セルや媒体からの散乱によるバックグランド除去および反射強度補正と評価を行いデータの向上を図ってきた。2021年度では，圧力セルおよび結晶の吸収補正をさらに最適化し，加えて各種補正を精査し，これまでより精度の高い解析を実施することで，信頼性の向上した構造パラメータを抽出した。圧力で誘起される強誘電相の結晶構造の精密化においては，対称心の消滅に伴う対称性の低下によって倍増した独立原子パラメータの競合が抑えられ，合理的な値を得ることができた。最終的には，差フーリエ合成による水素位置と水素結合周りの構造変化を観測した。これらの得られた結果は，期待されたプロトン移動による強誘電性を示唆している。今後は，研究対象の水素結合型強誘電体の誘電応答の理解を深めるために，結晶構造パラメータの整理を行い，誘電性と圧力効果の関連性の詳細な議論へ繋げる予定である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

圧力誘起強誘電体[dppz][H2fa]においては，測定した単結晶中性子回折データを強度補正の最適化など精査し精密化することで信頼性のある構造解析が実施できた。一方で，計画予定の低温・圧力下の定常的な中性子回折実験のための試料環境整備と類似物質の実験実施が遅れており，また，誘電性と構造変調の詳細な議論もこれからである。研究計画としては全体的に遅れが生じている。

今後の研究の推進方策

一年間の延長によって，研究計画に沿って推進していく予定である。得られた成果については纏め積極的に発表に繋げる。試料環境整備については，低温・圧力下実験に必要な機器・治具の導入を行い定常的な実験の確立を行う。

次年度使用額が生じた理由

(理由)
昨年度に続き新型コロナウィルス感染症の流行に伴い国際会議および国内の学会・研究会の延長やオンライン化による旅費等が予定より大幅に削減したため。中性子回折実験実施計画に遅れが生じ，必要導入機器の検討が遅れたため。
(使用計画)
MLF・SENJUでの低温・圧力下での中性子回折実験に必要な機器の購入と治具の制作等を行う予定である。また，解析に必要な計算機整備を予定している。

研究成果

• [雑誌論文] Charge-Density-Wave Order and Multiple Magnetic Transitions in Divalent Europium Compound EuAl4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Koji Kaneko, Takuro Kawasaki, Ai Nakamura, Koji Munakata, Akiko Nakao, Takayasu Hanashima, Ryoji Kiyanagi, Takashi Ohhara, Masato Hedo, Takao Nakama, Yoshichika Onuk
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 90 ページ: 64704
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.064704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic phase diagram of helimagnetic Ba(Fe1-xScx)12O19 (0 < x < 0.2) hexagonal ferrite (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Maruyama, Seiya Tanaka, Shun Natori, Ikuya Bizen, Keisuke Amemiya, Ryoji Kiyanagi, Akiko Nakao, Kentaro Moriyama, Yoshihisa Ishikawa, Yasushi Amako, Taku Iiyama, Ryusuke Futamura, Shigenori Utsumi
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 892 ページ: 162125
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162125
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oval-cycloidal Magnetic Structure with Phase-shift in the Non-centrosymmetric Tetragonal Compound CePdSi3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Daichi Ueta, Masahiro Yoshida, Tomohiro Kobuke, Yoichi Ikeda, Akiko Nakao, Taketo Moyoshi, Koji Munakata, Yaohua Liu, Takatsugu Masuda, and Hideki Yoshizawa
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn 巻: 90 ページ: 114702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.114702
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Correlated Li-ion migration in the superionic conductor Li10GeP2S12 (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yajima, Yoyo Hinuma, Satoshi Hori, Rui Iwasaki, Ryoji Kanno, Takashi Ohhara, Akiko Nakao, Koji Munakata, Zenji Hiroi
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. 巻: A9 ページ: 11278-11284
  • DOI: 10.1039/D1TA00552A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antiferromagnetic-to-ferrimagnetic phase transition with large electric-polarization change in a frustrated polar magnet CaBaCo4O7 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Omi, Yoshito Watanabe, Nobuyuki Abe, Hajime Sagayama, Akiko Nakao, Koji Munakata, Yusuke Tokunaga, and Taka-hisa Arima
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 103 ページ: 184412
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.184412
• [雑誌論文] Programmable Synthesis of Silver Wheels (2021)
  • 著者名/発表者名: Hyunchul Kwon, Ewa Pietrasiak, Takashi Ohhara, Akiko Nakao, Boknam Chae, Chan-Cuk Hwang, Daesung Jung, In-Chul Hwang, Young Ho Ko, Kimoon Kim, Eunsung Lee
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 60 ページ: 6403-6409
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00106
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Superconductivity-driven ferromagnetism and spin manipulation using vortices in the magnetic superconductor EuRbFe4As4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Shigeyuki Ishida, Daniel Kagerbauer, Sigrid Holleis, Kazuki Iida, Koji Munakata, Akiko Nakao, Akira Iyo, Hiraku Ogino, Kenji Kawashima, Michael Eisterer, and Hiroshi Eisaki
  • 雑誌名: Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 巻: 118 ページ: e2101101118
  • DOI: 10.1073/pnas.2101101118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hybridization-gap Formation and Superconductivity in the Pressure-induced Semimetallic Phase of the Excitonic Insulator Ta2NiSe5 (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Matsubayashi, H. Okamura, T. Mizokawa, N. Katayama, A. Nakano, H. Sawa, T. Kaneko, T. Toriyama, T. Konishi, Y. Ohta, H. Arima, R. Yamanaka, A. Hisada, T. Okada, Y. Ikemoto, T. Moriwaki, K. Munakata, A. Nakao, M. Nohara, Y. Lu, H. Takagi, Y. Uwatoko
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 90 ページ: 074706
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.074706
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Identification of crystallographic planes of a polyhedral crystal at SENJU (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Nakao, T. Moyoshi, K. Moriyama, T. Matsumura, K. Iba, S. Ohara, Y. Ishikawa, K. Munakata, T. Ohhara, R. Kiyanag
  • 学会等名: 25th Congress of the International Union of Crystallography
  • 国際学会