水素透過能の整流性を利用した電解水素挿入法の開発と水素化物超伝導体の探索

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K18892
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 清水 亮太 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (70611953)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• キーワード: 金属水素化物 / フォトクロミズム / エレクトロクロミズム / 金属絶縁体転移

研究実績の概要

本研究では、金属水素化物をベースとして、電気化学的な水素の脱挿入による物性の変調を目指している。特に、様々な複合アニオン水素化物を作成し、水素とは異なるアニオンのアシストを利用した新規物性開拓に取り組んだ。主な成果として酸素との化合物である酸水素化物、窒素との化合物である窒素水素化物によるものがある。
酸素との化合物では、イットリウム酸水素化物(YOxHy)に着目した。このYOxHyは、光照射により絶縁体―金属転移を起こし、光の遮断による熱緩和を利用した絶縁化の繰り返しサイクルが可能な系であり、光応答だけではなく電気化学応答として水素の脱挿入を試みた。すると、光金属化したYOxHyに+0.0 V vs 可逆水素電極(RHE)の印加により、数秒程度で絶縁化した。数週間レベルの室温の熱緩和と比較して4桁以上の高速化な絶縁化に成功した。さらにこの絶縁化した状態から、-4.0 V vs RHEにて水素発生反応による水素チャージを行うことで再金属化することもわかった。このように、YOxHy系においてはじめて、電気化学的な処理だけで金属・絶縁体の繰り返しスイッチングに成功した。
窒素との化合物として、チタンの窒素水素化物(TiNxHy)の作製に取り組んだ。比較的低温である基板温度~100oCで成長したアモルファス薄膜において、水素チャージ法により電気抵抗を2桁変化させることに成功した。なお、電場印加を止めると元の抵抗に速やかに緩和してしまうことから、今後は電場印加をしたまま低温に冷却することが可能な系を用いて温度依存性・超伝導特性などを調べる必要があることが分かった。

研究成果

• [雑誌論文] Repeatable Photoinduced Insulator-to-Metal Transition in Yttrium Oxyhydride Epitaxial Thin Films (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Komatsu, R. Shimizu, R. Sato, M. Wilde, K. Nishio, T. Katase, D. Matsumura, H. Saitoh, M. Miyauchi, J. Adelman, R. McFadden, D. Fujimoto, J. Ticknor, M. Stachura, I. McKenzie, G. Morris, W. Macfarlane, J. Sugiyama, K. Fukutani, S. Tsuneyuki, T. Hitosugi
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 34 ページ: 3616-3623
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03450
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] YOxHy薄膜の電気化学的金属-絶縁体転移における溶液の寄与 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小松遊矢、清水亮太、ビルデマーカス、西尾和記、福谷克之、一杉太郎
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Repeatable photo-induced metallization observed in YOxHy epitaxial thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryota Shimizu, Yuya Komatsu, Ryuhei Sato, Markus Wilde, Kazunori Nishio, Katsuyuki Fukutani, Shinji Tsuneyuki, Taro Hitosugi
  • 学会等名: 2nd International Symposium “Hydrogenomics"
  • 国際学会
• [学会発表] 固体内水素の荷電状態制御を通じた金属・絶縁体スイッチング (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 水素科学技術連携研究会 6月研究会
• [学会発表] Thermal motion of hydrogen observed in photoinduced YOxHy thin films (2022)
  • 著者名/発表者名: oY. Komatsu, R. Shimizu, T. Hitosugi, R. Sato, S. Tsuneyuki, M. Wilde, K. Fukutani, H. Saitoh, D. Matsumura, J. O. Ticknor, D. Fujimoto, J. R. Adelman, R. M. L. McFadden, I. McKenzie, M. Stachura, G. D. Morris, W. A. MacFarlane, J. Sugiyama
  • 学会等名: MuSR2020
  • 国際学会
• [学会発表] アニオン複合化による水素の荷電状態制御と薄膜物性制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 第5回ハイドロジェノミクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 薄膜内水素の組成・荷電状態制御による水素化物物性の開拓 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水亮太
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会「水素化物の研究最前線～物質開発と機能の現状・課題・展望～」
  • 招待講演