| 研究課題/領域番号 |
25420705
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
中村 吉伸 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30198254)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | リュードベリ状態 / ディラック電子 / 逆ペロブスカイト / 窒化物 / 格子欠損 / プラズマ処理 / インターカレーション / 希ガス元素 |
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| 研究実績の概要 |
本年度も引き続き“電子励起蓄電池”の実現を目指し、その活物質となりうる希ガス内包物質を、巨大ケージ、トンネル、2次元層間を有するホスト物質への希ガスプラズマのインターカレーションにより合成し、その光励起によるゲスト希ガスの励起状態（Rydberg状態）を実現することを目標としている。昨年度に引き続き希ガス元素のホスト化合物の候補として、アルカリ土類金属Ca、Srのような強力な電子供与能を有する元素のケージ構造を探索している。その候補物質の一つとしてAntiperovskite窒化物：Ca3BiN、Ca3PbNの合成を試みていたが、窒素源を雰囲気窒素からチッ化カルシウム（Ca3N2）に変えることにより固相合成に成功し、X線回折によりその単相での存在を確認した。この物質系の窒素（N）サイトはCa八面体ケージの中心に位置することから、窒素欠損の大量導入により目的のCaケージ構造が得られる。Antiperovskite窒化物にあってはAサイトのBi（またはPb）を-3価まで強還元しており、Antiperovskite酸化物同様の電子構造が期待できる。なおかつ酸化物に比較して窒化物は窒素サイトの欠損濃度制御が容易のため、希ガス導入サイトとしてはより適しているといえ、その合成に成功した意義は大きい。
N欠陥サイトへ置換された希ガスイオンは陰イオンに還元される、最外殻電子が高エネルギー状態をとる可能性は十分にある。現在はフラックス法による単結晶の合成に着手しており、合成容器の設計・製作、フラックスの選定とその溶融条件の決定はほぼ完了している。単結晶合成に成功次第、窒素欠損濃度制御法を確立し、光学特性による電子状態評価を予定している。UV-VIS-IR分光光度計（現有）の改良は完了し温度可変で反射スペクトルがとれる仕様に変更されている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
希ガスプラズマ処理装置の設計と製作の遅れが計画の遅れの元凶になっていたが、26年度に入ってからプラズマ処理装置の試作を数多く手がけてきた三重大学、與倉三好研究員の協力により装置の設計指針が確立し、完成・試運転が近く開始される予定である。次年度はAntiperovskite窒化物単結晶の合成法確立、窒素欠損の導入に伴なう電子状態変化の評価を行った上で、Caケージ（Antiverovskiteの窒素欠損サイト）への希ガスイオンを挿入するプロセスまでも確立したいと考えている。
また、物質探索に関しても、アルカリ土類のような電気的に陽性な元素で囲まれた空間に希ガスイオンを閉じ込めることができれば、最初に想定した高エネルギー状態の分子（固体）が実現できる可能性があることが予測されるに至っている。Caの八面体ケージを実現するために着目したAntiperovskite酸化物・窒化物であるが、現在に至るまでのそ合成例は少なく、単結晶の合成も困難であったことから同系統の物質の電気特性の評価はほとんど行われていない。しかしながらPbCa3O、BiCa3NなどのAnti-perovskite物質群はその特異な電子構造と結晶構造の対称性から伝導電子がDirac電子であるという理論的予想もあり、物性物理学の分野で注目され始めた物質でもある。その物性評価は強力な電子供与イオンで囲まれた空間の設計、物性評価と併せて必要不可欠なプロセスと考えており、多少時間と手間をかけてもこの辺の評価はしっかりと行いたい。
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| 今後の研究の推進方策 |
ゲスト希ガスのRydberg状態はUV吸収･発光スペクトルにより評価し、また内包物質の導電率、熱起電力などの基礎物性の評価も併せて行う。開発に成功した希ガス内包物質はその空隙の構造により分類し、それぞれのケース（ケージ、トンネル、層内）での電子状態とインターカレート希ガスの状態との相関関係を基礎物性の実験データ解析および量子化学計算などの手法を駆使して明らかにする。長寿命Rydberg状態が期待される系においては電気化学セルを構成し、時間分解平衡電位測定により励起寿命の評価を行う。系の最適化が叶えば電池系を構成し起電取り出すという研究の最終段階に入る。
Ryudberg状態の実現のためのCaイオンケージ構造実現のために着手したAntiperovskite窒化物ではあるが、物性の報告例がほとんどないにもかかわらず、そのフェルミ面近傍におけるDirac電子状態に関与する特異な電子物性が興味を持たれている。その基礎物性（ホール移動度、磁気抵抗効果など）の評価も必要不可欠であることから、多少の時間をかけてもきちんと評価しておく必要がある。したがって、本年度も計画の遅れが少し生じじる可能性が高く、場合によっては全体の研究期間の延長も必要となってくる可能性もある。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
希ガスインターカレーション実験は研究協力者との打ち合わせにより進められているが、設計に手間取ったことから、装置の製作が遅れているが、昨年度末、製作のめどが立った。が、主要部品の発注が27年度にずれ込んだため、予算使用も次年度へずれこんでしまった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
高周波発生装置試作の部品類は27年6月をめどに調達し、装置の完成を急ぐ。その他、成果公表のための旅費が予定を上回っていることから本年度は計画を追加して使用する予定である。
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