二重K2NiF4型酸化物におけるカチオンオーダーと物性

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K15280
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 山本 孟 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (50827045)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 超高圧合成 / 強誘電体 / 磁性体 / 固溶体 / ペロブスカイト型構造

研究実績の概要

本研究課題では、新規物質群二重K2NiF4型酸化物やその類縁物質に注目した革新的な機能性物質の創出を進めてきた。本研究で最初に注目した二重K2NiF4型酸化物に関しては、結晶構造の二次元性に起因して完全なカチオンオーダー（二重化）が起こらないことがわかった。そこで研究対象をペロブスカイト型構造まで広げることとした。その結果、2つの重要な発見があった。
発見の1つ目として、(1-x)PbVO3-xBiCoO3固溶体における金属間電荷移動による極性構造の制御がある。PbVO3とBiCoO3はいずれもPbTiO3型の極性（強誘電）構造を有する。超高圧合成法を用いて両者の固溶体を合成することで、自発分極値の変化と常誘電構造への相転移が起こることを発見した。放射光実験からこの起源がCoイオンとVイオン間の電荷移動によることを明らかにした。さらにこの知見を基に(1-x)PbVO3-xBiCrO3固溶体の研究を行った。この系では金属間電荷移動は起こらなかったが、温度変化で絶縁体-金属相転移に起因する極性-非極性構造相転移が起こることを発見した。これらの成果は、圧電・強誘電材料や負熱膨張材料の開発における重要な知見となる。
発見の2つ目として、CaMn1-xSbxO3における温度変化による自発磁化反転現象がある。これはより平易な言葉でいえば、温度変化だけでN極とS極が反転する磁石である。このような現象は、熱磁気モーターや記憶素子などへの応用が期待される。原理を解明するために、J-PARC NOVAにおける粉末中性子回折と磁気構造解析、第一原理計算を用いた研究を行った。その結果、電子軌道秩序クラスターの成長に起因して物質中に二種類の弱強磁性相が共存し、温度によりそれらの分率が変化することが原理であることが分かった。

備考

プレスリリース

研究成果

• [雑誌論文] Reversible thermally controlled spontaneous magnetization switching in perovskite-type manganite (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hajime、Sekikawa Satoru、Taniguchi Haruka、Matsukawa Michiaki、Shigematsu Kei、Honda Takashi、Yamauchi Kunihiko、Ikeda Kazutaka、Otomo Toshiya、Sakakura Terutoshi、Azuma Masaki、Nimori Shigeki、Noda Yukio、Kimura Hiroyuki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 ページ: 112404～112404
  • DOI: 10.1063/5.0017506
• [雑誌論文] Emergence of a Cubic Phase Stabilized by Intermetallic Charge Transfer in (1-x)PbVO3-xBiCoO3 Solid Solutions (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hajime、Toda Kaoru、Sakai Yuki、Nishikubo Takumi、Yamada Ikuya、Shigematsu Kei、Azuma Masaki、Sagayama Hajime、Mizumaki Masaichiro、Nitta Kiyofumi、Kimura Hiroyuki
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 32 ページ: 6892～6897
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c01934
• [学会発表] ペロブスカイト型マンガン酸化物における温度変化に伴うリバーシブルな自発磁化反転現象の発見とその原理の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本孟, 関川曉, 谷口晴香, 松川倫明, 重松圭, 本田孝志, 山内邦彦, 池田一貴, 大友季哉, 坂倉輝俊, 東正樹, 二森茂樹, 野田幸男, 木村宏之
  • 学会等名: 日本中性子科学会年会
• [学会発表] PbVO3-BiCoO3固溶体における金属間電荷移動に伴う結晶構造変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 戸田薫, 山本孟, 酒井雄樹, 西久保匠, 山田幾也, 重松圭, 東正樹, 佐賀山基, 水牧仁一朗, 新田清文, 木村宏之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] ペロブスカイト型CaMn1-xSbxO3の磁化反転起源の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 関川曉、山本孟、木村宏之、谷口晴香、松川倫明、東正樹、石井祐太、佐賀山基、本田孝志、大友季哉、山内邦彦
  • 学会等名: 2019年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] ペロブスカイト型酸化物 (1-x)PbVO3-xBiCrO3 固溶体の結晶構造変化と金属間電荷移動 (2020)
  • 著者名/発表者名: 相澤遥奈、山本孟、戸田薫、山田幾也、野島勉、東正樹、酒井雄樹、西久保匠、木村宏之
  • 学会等名: 日本高圧力学会第61回高圧討論会
• [学会発表] PbVO3-BiCoO3 固溶体の金属間電荷移動による極性構造の制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 戸田薫、山本孟、酒井雄樹、西久保匠、山田幾也、重松圭、東正樹、佐賀山基、水牧仁一朗、新田 清文、木村 宏之
  • 学会等名: 日本高圧力学会第61回高圧討論会
• [学会発表] 岡山県布賀に産出する逸見石の水素結合ネットワークと量子スピン揺らぎ (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本 孟, 坂倉 輝俊, JESCHKE O. Harald, 壁谷 典幸, 落合 明, 岸本 俊二, 佐賀山 基, 相澤 遥奈, 関根 大輝, 松原 正和, 重松 圭, 東 正樹, 野田 幸男, 石川 裕也, 藤井 裕, 木村 宏之
  • 学会等名: 日本高圧力学会第61回高圧討論会
• [学会発表] 岡山県布賀鉱山に産出する逸見石における非極性-極性構造相転移と二次元反強磁性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本孟、坂倉輝俊、木村宏之、野田幸男、岸本俊二、佐賀山基、松原正和、関根大輝、壁谷典幸、落合明
  • 学会等名: 2019年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [備考] 金属イオン間の電子の授受で極性構造を制御 強誘電体・圧電体材料や負熱膨張材料の開発に新しい知見
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/08/press20200825-02-ion.html