応力を利用した新規強磁性ユウロピウム化合物の開拓と巨大磁気異方性の創発

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K05227
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 高津 浩 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60585602)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: EuVO2H / 磁気異方性 / 応力 / トポケミカル反応 / XAS / XMCD / 高圧実験 / 薄膜合成

研究実績の概要

本研究課題では、巨大な磁気異方性をしめす新規酸水素化物EuVO2Hに着目し、そこで実現する巨大な垂直磁気異方性の起源解明を目指して研究を推進した。研究実績の概要は以下のとおりである。
(1) 様々な膜厚のEuVO2H薄膜を合成し、薄い膜厚試料ほど、大きな磁気異方性が発現することを明らかにした。X線吸収分光測定から、薄い膜厚試料ほど、Eu3+の成分が大きくなることを見出し、応力が大きく働いていることを見出した。そして、粉末試料の圧力下の実験を実施し、約16GPでEu2+の20-30%がEu3+になっていること、同時にV3+は同程度V2+になることを明らかにし、Eu2+/V3+でサイト間電荷移動が起きていることを実証した。薄膜試料では、光電子分光実験によりサイト間電荷移動にともなう金属化を確認した。物質合成・磁化測定・分光実験・薄膜・高圧による複合的アプローチにより、EuVO2Hでは、圧力や応力をパラメーターに水素層EuHと酸素層VO2の間で電荷移動が起きること、それが鍵因子となって巨大磁気異方性が発現することを明らかにした。強磁性を担うEu2+は全軌道角運動量がゼロである為、従来、ユウロピウム化合物では大きな磁気異方性がほとんどなく、本研究の遂行によって、新たな一面が拓かれた。

(2) EuVO2Hのサイト間電荷移動を使うことで、同価数の元素置換でもキャリア制御できるという新たな性質を見出した。このことは通常の酸化物ペロブスカイトでは困難であった3dバンドと4fバンドを独立に制御する指針が浮き彫りになった。

(3) EuVO2Hの合成で見出した「応力下のトポケミカル反応」を用いて、LaドープしたSrVO2Hなど関連化合物の物質開発に成功した。基板応力を使うことで水素イオン量を調整できること等を明らかにし、同手法が準安定化合物を薄膜安定化するのに有用なことを明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] Universidad Complutense de Madrid/Universidad de Zaragoza(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Universidad Complutense de Madrid/Universidad de Zaragoza
• [雑誌論文] Intersite Charge Transfer through Eu 4f Band Engineering in Eu_1?<i>x</i>Sr_<i>x</i>VO₂H Oxyhydride Films (2024)
  • 著者名/発表者名: Namba Morito、Takatsu Hiroshi、Murayama Kantaro、Shibazaki Yuki、Ishimatsu Naoki、Ubukata Hiroki、Terada Ryo、Yoshimura Noriyuki、Kawanishi Shohei、Terashima Takahito、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 36 ページ: 3918～3924
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.4c00404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pure Fluorine Intercalation into Brownmillerite Oxide Thin Films by Using Ionic Liquid Gating (2024)
  • 著者名/発表者名: Namba Morito、Takatsu Hiroshi、Li Hao-Bo、Murayama Kantaro、Terada Ryo、Yang Qian、Terashima Takahito、Ohta Hiromichi、Kageyama Hiroshi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 36 ページ: 2076～2084
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c03178
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Perpendicular Magnetic Anisotropy Induced by an Intersite Charge Transfer in Strained EuVO₂H Films (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Morito、T. Hiroshi、M. Riho、S. Yao、M. Kantaro、L. HaoBo、T. Ryo、C. Tassel 、H. Ubukata、O. Masayuki、S. Regino、L. Elias Palacios、I. Naoki、S. Daisuke、K. Hiroshi、K. Katsuki、K. Shunsaku、I. Kenji、T.a Takahito、F. Koji、M. Takeaki、Y. Keiichi、K. Koji、K. Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 21807～21816
  • DOI: 10.1021/jacs.3c04521
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 金属と絶縁体における極性非極性転移 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村山寛太郎, 増木亮太, 高津浩, Tassel Cedric, 酒井英明, Gu Xiangyu, 石田耕大, Denisova Ksenia, Dupray Valerie, Clevers Simon, 野本拓也, 只野央将, Lemmens Peter, 有田亮太郎, 陰山洋
  • 学会等名: 第6回固体化学フォーラム研究会
• [学会発表] 金属および絶縁体における極性非極性転移 (2024)
  • 著者名/発表者名: 村山寛太郎, 増木亮太, 高津浩, Tassel Cedric, 酒井英明, Gu Xiangyu, 石田耕大, Denisova Ksenia, Dupray Valerie, Clevers Simon, 野本拓也, 只野央将, Lemmens Peter, 有田亮太郎, 陰山洋
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Lanthanum Nitride-Hydride with Anion Layered Ordering (2024)
  • 著者名/発表者名: Zefeng Wei, Hiroki Ubukata, Mari Einaga, Dilip Bhoi, Daichi Kato, Kantaro Murayama, Hiroshi Takatsu, Yu Cao, Cedric Tassel, Yoshiya Uwatoko, Katsuya Shimizu, Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International Core-to-Core Symposium on Mixed-Anion Compounds 2024
• [学会発表] 磁化測定とXMCD測定で明らかにする新規酸水素化物EuVO2Hの巨大垂直磁気異方性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高津 浩, 難波 杜人, 村山 寛太郎, 寺田 凌, 越智 正之, 寺嶋 孝仁, 陰山 洋
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] X-ray Fluorescence and Photoelectron Holography Experiments for Valence-Selective Structural Analysis of a Novel Layered Oxyhydride with Inter-Site Charge Transfer (2023)
  • 著者名/発表者名: Morito Namba, Hiroshi Takatsu, Koji Kimura, Kantaro Murayama, Ryo Terada, Yusuke Hashimoto, Naohisa Happo, Halubai Sekhar, Hiroo Tajiri, Tomohiro Matsushita, Koichi Hayashi and Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: International conference on complex orders in condensed matter (ICCOCM)
  • 国際学会
• [備考] 巨大な垂直磁気異方性を示すペロブスカイト酸水素化物の発見 ―水素層と酸素層の協奏効果―
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230929