| 研究課題/領域番号 |
21K04638
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
上原 政智 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60323929)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 高温超伝導 / Ni酸化物 / ドーピング / 層状化合物 / 高温超伝導候補物質 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的はPr4Ni3O8及び(Ln,A)NiO2 (Ln=Nd,Pr, A=Sr,Ca)バルク体において高温超伝導を実現する事である。両物質は銅酸化物高温超伝導体(HTSC)と結晶・電子構造が極めて似た物質である。(Nd,Sr)NiO2は薄膜でのみ超伝導が発現する事が最近報告された。バルク体で超伝導を実現できれば研究が飛躍的に進展しHTSCと詳細に比較する事で高温超伝導機構の解明、更なる高Tc化の指針を得る事に大きく寄与する。
Pr4Ni3O8
超伝導化には適切なキャリア量調整が必要である。2つあるNiサイトの一方のみへの選択的元素置換によるキャリア量調整を試みた。NiサイトにCo, Cuをドープした物質についてXAFSを用いた局所構造解析およびX線回折実験による精密構造解析を行い置換サイトの特定を試みた。XAFSの予備的な結果では2つのNiサイトにランダムに置換している結果を得たが、X線回折実験の結果を基にしたマーデリングポテンシャルの計算ではNi(1)サイトを置換する結果となり両者の間で一致を見なかった。またXAFS実験からドーパントの価数を測定できるが、これによれば、まだ超伝導化に必要なCo, Cuの置換量に達していないことが判明した。
(Ln,A)NiO2
本系が薄膜でしか超伝導を示さない原因として、バルク体ではNiO2層間に余剰酸素が残留しているためと推測した。Ln4Ni3O8で明らかになった様に、Sを用いたインター・デインターカレーション処理が余剰酸素の除去に有効である。Ln0.8A0.2NiO2試料に対し、Sインターカレーションを試みた。作成した試料の放射光X線回折実験の結果、Sがインターカレートされた(Ln,A)NiO2Sy, y～0.28が合成されたことが分かった。次年度以降はこの試料のSをデインターカレートすることにより超伝導が発現するかを検証していく。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
【令和3年度】年次目標＜Pr4Ni3O8におけるNi 3d 形式電子数最適化による超伝導発現＞
2つあるNiサイトの一方のみへの選択的元素置換によるキャリア量調整を試みた。選択的置換を目指す理由は一方のNiO2面をクリーンな状態で残し超伝導発現に有利な状況とするためである。NiサイトにCo, CuをドープしたPr4Ni3-xMxO8(M=Co, Cu)を作成しCoはx=0.7、Cuはx=0.3まで合成することが出来た。しかし、これらの試料は2 Kまでの磁化測定で超伝導は示さなかった。またこれらの試料のXAFSを用いた局所構造解析およびX線回折実験による精密構造解析を行い置換サイトの特定を試みた。XAFSの予備的な結果では2つのNiサイトにランダムに置換している結果を得たが、X線回折実験の結果を基にしたマーデリングポテンシャルの計算ではNi(1)サイトを置換する結果となり両者の間で一致を見なかった。またXAFS実験からドーパントの価数を測定できるが、これによれば、まだ超伝導化に必要なCo, Cuの置換量に達していないことが判明した。
(Ln,A)NiO2 (Ln=Pr,Nd, A=Ca,Sr)
当初計画ではR4以降に実験に着手する予定であったが、先んじて今年度から着手した。バルク体として合成された(Ln0.8A0.2)NiO2に対し真空封管内で様々な温度でのSインターカレーションを試み、Sがインターカレートされた(Ln,A)NiO2Sy, y～0.28が合成されたことが分かった。Sの含有量は放射光X線解析により明らかにした。
以上のように今年度計画した一連のプロセスを滞りなく行えたことから「おおむね順調に進展している」とした。
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| 今後の研究の推進方策 |
Pr4Ni3O8
Pr4Ni3-xMxO8 (M=Co, Cu)については固溶限界の試料においてもXAFSの予備的な結果によると超伝導化に必要なキャリア量調整が実現していないことが判明した。よって置換量をさらに増やすための合成方法の最適化が必要となる。原料粉末を微粒子化するミリング条件の最適化、焼成温度の最適化、焼成時間の最適化などを試みていく。また、ドーパントの価数が大きい方が少ない置換量で大きなキャリア量調整効果が得られることから、別のドーパントを使うことも検討する。予備的な実験によればＭ=4価のTi, 5価のV, 5価のNbが有望であることが予備的な実験により分かっているので、これらの試料の合成を精力的に試みていく。
本系でのXAFS実験は我々の研究グループにおいて初の試みであり、今年度は限定的な測定にとどまった。測定手法やデータ解析などに大いに改善の余地が残されているが、今年度の実験にてXAFSの手法やノウハウを十分に得ることができたため、次年度以降は十分な成果を上げられると期待される。
(Ln,A)NiO2 (Ln=Pr,Nd, A=Ca,Sr)
【現在までの進捗状況】で述べたように、Ｓがインターカレートした(Ln,A)NiO2Sy, y～0.28の合成に成功している。まずはこの物質の電気的性質・磁気的性質について明らかにしたい。そして水素ガスや還元剤であるCaH2を用いたデインターカレーション処理を様々な条件で施し超伝導が現れるか否かを検証していく。同時に実験室でのX線回折実験や放射光X線回折実験を行いデインターカレーション処理での構造変化を測定し処理条件最適化へのフィードバックとする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍により当初予定していた日本物理学会2022年次大会がオンラインになり、旅費の支出の必要がなくなったため。
この余剰金は、余裕をもった原料試薬や実験消耗費の購入に充てる。
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