2023 年度研究成果報告書

放射光X線を用いた高圧超イオン伝導体の探索: 氷惑星のマントル構造解明に向けて

研究課題

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研究課題/領域番号	21K03718
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分17040:固体地球科学関連
研究機関	岐阜大学
研究代表者	木村友亮岐阜大学, 工学部, 助教 (50624540)
研究期間 (年度)	2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード	超イオン導電体 / 高温高圧実験 / X線回折
研究成果の概要	高温高圧下で超イオン伝導体になることが予想されているCaF2の12 GPa、700℃までの相関係をX線回折実験によって決定した。室温下において、フローライト構造のα相からコチュナイト構造のγ相への相転移を8.7 GPaで観測した。また、このα-γ相転移を6.4 GPa、400℃で観測し、この相転移は温度に対して負の圧力依存性を持つことを明らかにした。4.5 GPa、1500℃で得られたXRDパターンは、部分的なアモルファス化を示唆する試料由来の回折ピーク強度の著しい低下と、バックグラウンドの上昇を示した。この構造変化は、フッ素イオンの格子間拡散によってもたらされている可能性が考えられる。
自由記述の分野	固体電子物性
研究成果の学術的意義や社会的意義	天王星と海王星の内部物質である氷やアンモニアは、高温高圧下で超イオン伝導性を示すことがわかっている。しかし、その構造と物性についての理論モデルが構築できていないことから、これらの超イオン物質が惑星内部構造に与える影響については明らかになっていない。CaF2は高圧超イオン伝導体の中で、比較的低い温度圧力条件で超イオン導電体になることが予想されている。本研究で観測された4.5 GPa、1500℃におけるアモルファス化は超イオン伝導性の発現に起因すると考えられる。今後、この構造変化とイオン伝導性の関係を調べることで、惑星内部物質を含めた超イオン伝導体の物性理解につながることが期待できる。