拡散反応場における結晶配向メカニズムの解明と高配向多結晶体の作製

2012 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23656399
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 福田 功一郎 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90189944)
• 連携研究者: 浅香 透 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80525973) ; 吉田 英人 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 技術職員 (30376553)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2012
• キーワード: 結晶配向 / 組織制御 / 反応拡散 / イオン伝導体 / アパタイト

研究概要

サンドイッチ型のLa2SiO5/La2Si2O7/La2SiO5拡散対を1600℃で50時間加熱することで、c軸高配向したアパタイト型La9.50Si6O26.25多結晶体の作製に成功した。得られた多結晶体は偏光顕微鏡とX線回折法、複素インピーダンス法を用いて評価した。加熱した拡散対は機械研磨することで、拡散対の最も内側に位置する結晶配向電解質を取り出した。この電解質の配向方向に平行な酸化物イオン伝導度は、450℃で2.0×10-2S/cmであり、温度の上昇とともに増加し、700℃では7.9×10-2S/cmに達する。この値はc軸配向アパタイト型La9.33Si6O26多結晶体の約2.5倍に相当する。これら2種類の配向多結晶体の活性化エネルギーは、共に0.35eVであることから、伝導機構は同一であると考えられる。La9.50Si6O26.25とLa9.33Si6O26の結晶構造を単結晶X線回折法で決定したところ、両方の結晶構造は空間群P63/mであり、Si原子に結合している12i席の酸素原子位置に不規則性が確認できた。さらに、4fと6h席のLa原子位置にも非調和熱振動で近似できる不規則性がみられた。La9.50Si6O26.25の結晶構造中には、格子間に過剰な酸化物イオンが存在することを初めて示すことができ、高い酸化物イオン伝導性との相関関係を初めて示すことができた

研究成果

• [雑誌論文] Thermal Expansion of Lanthanum Silicate Oxyapat ite (La9.33+2x(SiO4)6O2+3X), Lanthanum Oxyorthosilicate (La2SiO5) and Lanthanum Sorosilicate (La2Si2O7) (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fukuda, T. Asaka, and T. Uchida
  • 雑誌名: J. Solid State Chem. 巻: Vol.194 ページ: 157-161
  • DOI: DOI:10.1016/j.jssc.2012.04.043
• [雑誌論文] Combined Effect of Germanium Doping and Grain Alignment on Oxide-Ion Conductivity of Apatite-Type Lanthanum Silicate Polycrystal (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fukuda, T. Asaka, N. Ishizawa, H. Mino, D. Urushihara, A. Berghout, E. Bechade, O. Masson, I. Julien, and P. Thomas
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: Vol.24 ページ: 2611-2618
  • DOI: DOI:10.1021/cm301484q
• [雑誌論文] Crystal Structure and Oxide-Ion Conductivity along c-Axis of Apatite-Type Lanthanum Silicate with Excess Oxide Ions (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fukuda, T. Asaka, M. Oyabu, D. Urushihara, A. Berghout, E. Bechade, O. Masson, I. Julien, and P. Thomas
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: Vol.24 ページ: 4623-4631
  • DOI: DOI:10.1021/cm3034643
• [雑誌論文] Anisotropy of oxide-ion conduction in apatite-type lanthanum silicate (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fukuda, T. Asaka, M. Okino, A. Berghout, E. Bechade and O. Masson
  • 雑誌名: Solid State Ionics 巻: Vol.217 ページ: 40-45
  • DOI: DOI:10.1016/j.ssi.2012.04.018
• [雑誌論文] Oxide-Ion Conductivity of Highly c-Axis-Oriented Apatite-Type Lanthanum Silicate Polycrystal Formed by Reactive Diffusion between La2SiO5 and La2Si2O7 (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Fukuda, T. Asaka, R. Hamaguchi, T. Suzuki, H. Oka, A. Berghout, E. Bechade, O. Masson, I. Julien, E. Champion, and P. Thomas
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: Vol.23 ページ: 5474-5483
  • DOI: DOI:10.1021/cm2029905
• [学会発表] アパタイト型シリコゲルマン酸ランタン多結晶体のc軸高配向化と酸化物イオン伝導 (2013)
  • 著者名/発表者名: 蓑弘樹
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2013年年会
  • 発表場所: 東京工業大学(東京)
  • 年月日: 20130317-19
• [学会発表] La2O3成分を過剰に含むアパタイト型ケイ酸ランタン多結晶体のc軸高配向化と酸化物イオン伝導 (2013)
  • 著者名/発表者名: 福田功一郎
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2013年年会
  • 発表場所: 東京工業大学(東京)
  • 年月日: 20130317-19
• [学会発表] 過剰酸化物イオンを格子間に含むアパタイト型ケイ酸ランタンの結晶構造と酸化物イオン伝導 (2013)
  • 著者名/発表者名: 漆原大典
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2013年年会
  • 発表場所: 東京工業大学(東京)
  • 年月日: 20130317-19
• [学会発表] c軸高配向アパタイト型シリコゲルマン酸ランタン多結晶体の作製と酸化物イオン伝導 (2013)
  • 著者名/発表者名: 蓑弘樹
  • 学会等名: 第51回セラミックス基礎科学討論会
  • 発表場所: 仙台国際センター(仙台)
  • 年月日: 20130109-10
• [学会発表] アパタイト型ケイ酸ランタンおよびシリコゲルマン酸ランタンのc軸高配向多結晶体の作製と酸化物イオン伝導 (2012)
  • 著者名/発表者名: 福田功一郎
  • 学会等名: 第38回固体イオニクス討論会
  • 発表場所: 京都テルサ(京都)
  • 年月日: 20121203-05
• [学会発表] c軸高配向アパタイト型ケイ酸ランタン多結晶電解質の作製と異方性熱膨張、低温動作型SOFCセルの設計指針 (2012)
  • 著者名/発表者名: 内田智裕
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2012年秋季シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋大学(名古屋)
  • 年月日: 20120919-21
• [学会発表] アパタイト型ケイ酸ランタンにおける酸化物イオン伝導の異方性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 福田功一郎
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2012年秋季シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋大学(名古屋)
  • 年月日: 20120919-21
• [学会発表] A novel and facile method for fabricating highly textured ceramics - Application to synthesis of c-axis-oriented apatite-type lanthanum silicate polycrystal - (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Suzuki
  • 学会等名: 5th International Workshop on Advanced Ceramics
  • 発表場所: London (連合王国)
  • 年月日: 20120909-11
• [学会発表] Combined Effect of Doping and Grain Alignment on Oxide-Ion Conductivity of Apatite-Type Lanthanum Silicate Polycrystal (2012)
  • 著者名/発表者名: D. Urushihara
  • 学会等名: 5th International Workshop on Advanced Ceramics
  • 発表場所: London(連合王国)
  • 年月日: 20120909-11
• [学会発表] 反応拡散による結晶配向セラミックスの新規合成方法 (2012)
  • 著者名/発表者名: 濱口竜太
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2012年年会
  • 発表場所: 京都大学(京都)
  • 年月日: 20120319-21
• [学会発表] 反応拡散によるアパタイト型ケイ酸ランタン多結晶体のc軸高配向化と酸化物イオン伝導 (2012)
  • 著者名/発表者名: 鈴木崇大
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2012年年会
  • 発表場所: 京都大学(京都)
  • 年月日: 20120319-21
• [学会発表] c軸高配向アパタイト型ケイ酸ランタン多結晶体の作製と酸化物イオン伝導 (2012)
  • 著者名/発表者名: 鈴木崇大
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2012年年会
  • 発表場所: 京都大学(京都)
  • 年月日: 20120319-21
• [学会発表] 反応拡散法によって作製したc軸配向アパタイト型ケイ酸ランタン多結晶体の微構造評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 岡部桃子
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2013年年会
  • 発表場所: 東京工業大学(東京)
  • 年月日: 20120317-19
• [学会発表] Syntheses and oxide-ion conductivity of highly c-axis-oriented apatite-type lanthanum silicate polycrystals (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fukuda
  • 学会等名: 2nd International Workshop on Materials Design and Development of All-Ceramics Devices with Fast Ion Conduction
  • 発表場所: ウインクあいち (名古屋)
  • 年月日: 2012-12-08
• [学会発表] アパタイト型シリコゲルマン酸ランタン多結晶体のc軸高配向化と酸化物イオン伝導 (2012)
  • 著者名/発表者名: 蓑弘樹
  • 学会等名: 日本セラミックス協会東海支部学術研究発表会
  • 発表場所: 名古屋大学(名古屋)
  • 年月日: 2012-12-01
• [学会発表] 反応拡散による結晶配向アパタイトセラミックスの新規合成方法 (2012)
  • 著者名/発表者名: 鈴木崇大
  • 学会等名: 日本セラミックス協会東海支部学術研究発表会
  • 発表場所: 名古屋大学(名古屋)
  • 年月日: 2012-12-01
• [学会発表] アパタイト型シリコゲルマン酸ランタンの不規則構造と酸化物イオン伝導機構 (2012)
  • 著者名/発表者名: 漆原大典
  • 学会等名: 日本セラミックス協会東海支部学術研究発表会
  • 発表場所: 名古屋大学(名古屋)
  • 年月日: 2012-12-01
• [学会発表] Anisotropy of Oxide-Ion Conduction in Apatite-Type Lanthanum Silicate (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fukuda
  • 学会等名: 3rd International Workshop on Materials Design and Development of All-Ceramics Devices with Fast Ion Conduction
  • 発表場所: Limoges (フランス)
  • 年月日: 2012-06-05
• [学会発表] Structural Change of La9.33(Si2Ge4)O26 during Heating up to 1203 K (2011)
  • 著者名/発表者名: D. Urushihara
  • 学会等名: 1st International Workshop on Materials Design and Development of All-Ceramics Devices with Fast Ion Conduction
  • 発表場所: Limoges (フランス)
  • 年月日: 2011-06-16
• [備考]
  • URL: http://crystals.web.nitech.ac.jp/
• [産業財産権] アパタイト型ケイ酸ランタン多結晶体及びその製造方法、並びに酸化物イオン伝導体、固体電解質 (2012)
  • 発明者名: 福田功一郎
  • 権利者名: 名古屋工業大学
  • 産業財産権番号: 2013-018102
  • 出願年月日: 2012-02-01
• [産業財産権] パタイト型シリコケルマン酸ランタン多結晶体及ひその製造方法、並ひに酸化物イオン伝導体、固体電解質 (2012)
  • 発明者名: 福田功一郎
  • 権利者名: 名古屋工業大学
  • 産業財産権番号: 2012-052126
  • 出願年月日: 2012-03-08