研究課題
本年度は、「直径数ミリ程度の大型薄膜試料への超高圧印加技術の開発」という目標に向け、(i)これまで開発してきた「薄膜試料への超高圧処理技術」の更なる発展、(ii) 本技術を活用したバデライト型TiO2の大気圧下回収の検討 という2つの研究に取り組んだ。(1): 物質合成の自由度を上げるため、15 GPa程度の超高圧下で使用可能な基板材質について調べた。これまで扱ってきたAl2O3に加え、ペロブスカイト構造やスピネル構造、岩塩構造の基板が使用可能であることが分かった。一方で、ルドルスデンポッパー型の基板はいずれもペロブスカイト型へと分解し、蛍石型YSZは未知相へと相転移した。特に、格子定数が小さく高圧相の合成に有効であると考えられるYAlO3が高圧下で使用可能であることを見出したのは、本研究を推進する上で極めて価値のある結果である。(2): ZrO2の安定構造として知られているバデライト型構造は、対称性が低く、その構造をもつ物質は少ない。そこで、バデライト型TiO2の安定化に向け、数少ない格子整合の良い基板であるAl2O3(012)基板に加え、バデライト型ZrO2を用いた緩衝層の活用を検討した。まずは、Al2O3(012)基板上に非晶質TiO2薄膜を作製し、バデライト型TiO2の安定領域で超高圧処理したが、減圧相であるα-PbO2型の多結晶膜が得られ、バデライト型を安定化できなかった。続いて、バデライト型ZrO2緩衝層の活用を検討したが、高圧処理可能な基板上へバデライト型ZrO2のエピタキシャル薄膜を成長させられず、緩衝層として使用できなかった。以上の結果から、バデライト型TiO2はその対称性の低さに起因した(i) 格子整合の良い基板が少ない点、(ii) 緩衝層を成長させられる基板が限られる点の2点から構造安定化が困難であることがわかった。高圧処理可能な基板の種類をさらに増やしていく中で、引き続き、各基板上での緩衝層用のバデライト型ZrO2エピタキシャル薄膜の作製を検討していく。
2: おおむね順調に進展している
本年度は、使用可能な基板の種類の拡大をはじめ、薄膜試料への高圧合成技術の開拓に取り組み、本技術を用いた物質合成の基礎を築くことができた。多様な基板を扱えるようになったことから、今後の本技術による様々な物質の安定化が期待される。新型コロナウイルスの影響により、実験時間が制限された中ではあったが、研究は確実に進展している。一方で、大気圧下では不安定なバデライト型TiO2の安定化については、さらなる工夫が必要であることが分かった。当初の狙い通りの結果は得られなかったが、本研究の過程で薄膜試料への超高圧処理技術が磨かれるとともに、「ターゲット物質の対称性が重要である」という将来の高圧相物質の安定化に向けた重要な知見を得ることができた。「有望であるが大気圧下回収できない物質」はバデライト型TiO2に限られないことから、次年度は対称性の高いターゲット物質を選択することにより、有望な高圧相物質の大気圧下回収を狙う。
2年目である次年度は、本年度実現できなかったバルクでは不安定な高圧相物質の大気圧下回収に取り組む。対象物質としては、数ある候補物質の中から高対称性のものに絞り、「マルチフェロイック特性が期待されているペロブスカイト型MnTiO3」、「地殻中に極めて多く存在する鉱物であるペロブスカイト型CaSiO3」、「紫外透明で両極ドーピング可能であることが期待されている岩塩型ZnO」の3つの物質に着目する。
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セラミックス
巻: 56 ページ: 76-79
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