ナノ構造制御による巨大負熱膨張物質の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: ナノ構造情報のフロンティア開拓－材料科学の新展開
• 研究課題/領域番号: 16H00883
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 負熱膨張 / in-situ TEM / マルテンサイト変態

研究実績の概要

高度に微細化した半導体製造や光通信の場では、わずかな熱膨張でさえも命取りにる。このため温めると縮む、負熱膨張物質を用いたゼロ熱膨張複合体の開発が求められている。我々のグループでは、負熱膨張物質の母物質としてBi3+0.5Bi5+0.5Ni2+O3という特異な価数状態を持つペロブスカイトBiNiO3に着目している。そのNiサイトを一部Feで置換したBiNi1-xFexO3が、常圧下での加熱によりBi3+(Ni,Fe)3+O3への転移を起こし、Ni2+→Ni3+の酸化によりペロブスカイト構造の骨格を造るNi-O結合が収縮するため、既存材料の3倍の負熱膨張を示す事を報告してきた。
本研究では、温度可変ホルダーを用いたin-situ TEM観察により、転移の際のドメイン構造変化のダイナミクスを明らかにすることで、BiNi1-xFexO3のもつ温度履歴解消のためのドメイン設計を行うことを目的としている。
今年度は室温における体積の大きな低温相と体積の小さな高温相の分布およびドメイン構造を調べた。電子回折では困難であった低温相と高温相の区別を、電子エネルギー損失分光を用いることにより成功した。
また、BiNi1-xFexO3のドメイン構造解析と並行して、サイト間電荷移動メカニズムによる新しい負熱膨張物質を開発することを目的として、種々のBi(Pb)-遷移金属元素の組み合わせの酸化物の合成を行った。その過程で、PbとCoが共に電荷不均化した新しいペロブスカイト型酸化物PbCoO3を合成し、その構造を明らかにすることにも成功した。

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

これまでに困難であった低温相と高温相の共存状態をTEMを用いて確認することに成功していることから、研究は順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

今年度は、BiNi1-xFexO3について温度可変ホルダーを用いたin-situ TEM観察により、そのドメイン構造変化のダイナミクスを明らかにする。その情報を合成にフィートバックすることで、温度履歴のないドメイン設計を試みる。また、PbCoO3およびPbCrO3について、BiNiO3の経験を生かし元素置換による負熱膨張物質化を行う。

研究成果

• [雑誌論文] A-site and B-site charge orderings in an s-d level controlled perovskite oxide PbCoO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakai, J. Yang, R. Yu, H. Hojo, I. Yamada, P. Miao, S. Lee, S. Torii, T. Kamiyama, M. Lezaic, G. Bihlmayer, M. Mizumaki, J. Komiyama, T. Mizokawa, H. Yamamoto, T. Nishikubo, Y. Hattori, K. Oka, Y. Yin, J. Dai, W. Li, S. Ueda, A. Aimi, D. Mori, Y. Inaguma, Z. Hu, T. Uozumi, C. Jin, Y. Long, and M. Azuma
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 ページ: 4574-4581
  • DOI: DOI: 10.1021/jacs.7b01851
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] A-site and B-site charge orderings of perovskite PbCoO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. SAKAI, R. YU, H. YAMAMOTO, H. HOJO, M. AZUMA, I. YAMADA, J. YANG, Y. YIN, Y. LONG, P. MIAO, S. LEE, S. TORII, T. KAMIYAMA
  • 学会等名: APS March Meeting 2017
  • 発表場所: New Orleans, U.S.A.
  • 年月日: 2017-03-13 – 2017-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] ペロブスカイト PbCoO3 が示す A サイト B サイト電荷秩序 (2016)
  • 著者名/発表者名: 酒井 雄樹、YU Runze、山本孟、北條元、東正樹、山田幾也、JUNYE Yang、YUNYU Yin、YOUWEN Long、MIAO Ping、LEE Sanghyun、鳥居周輝、神山崇
  • 学会等名: 第57回高圧討論会
  • 発表場所: 筑波大学
  • 年月日: 2016-10-26 – 2016-10-29
• [学会発表] ペロブスカイトPbCoO3のAサイトBサイト電荷秩序 (2016)
  • 著者名/発表者名: 酒井雄樹, 于潤澤, 山本孟, 北條元, 東正樹, 山田幾也, Junye Yang, Yunyu Yin, Youwen Long, Ping Miao, SangHyun Lee, 鳥居周輝, 神山崇
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] ペロブスカイトPbCoO3が示すAサイトBサイト電荷秩序 (2016)
  • 著者名/発表者名: 酒井雄樹、于潤澤、山本孟、北條元、東正樹、山田幾也、Junye Yang、Yunyu Yin、Youwen Long、 Ping Miao、SangHyun Lee、鳥居周輝、神山崇
  • 学会等名: 第1回固体化学フォーラム研究会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2016-06-14 – 2016-06-14