Clarification of s-d interorbital charge distribution change in Bi and Pb-perovskites and the application to giant negative thermal expansion materials

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 16H02393
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Inorganic materials/Physical properties
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Masaki Azuma 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (40273510)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 幾也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30378880) ; 水牧 仁一朗 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (60360830) ; 綿貫 徹 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子ビーム科学研究部門, 次長(定常) (30343932) ; 妹尾 仁嗣 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (30415054) ; 岡 研吾 中央大学, 理工学部, 助教 (80602044) ; 北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
• Research Collaborator: Inaguma Yoshiyuki
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 負熱膨張 / 電荷移動 / 強誘電転移 / 精密構造解析

Outline of Final Research Achievements

BiMO3 and PbMO3 (M: 3d transition metals) exhibit systematic valence distribution changes.
From left to right in the periodic table, BiCrO3 to BiCoO3 are all Bi3+M3+O3. However, BiNiO3 has an unusual Bi3+0.5Bi5+0.5Ni2+O3 valence state. Similar charge distribution change is observed three times in PbMO3. PbVO3 is Pb2+V4+O3 like Pb2+Ti4+O3 and exhibits colossal negative thermal expansion when doped with electron, but PbCrO3 is found to be Pb2+0.5Pb4+0.5Cr3+O3 . PbCoO3 has turned out to be Pb2+Pb4+3Co2+2Co3+2O12. PbNiO3 has a valence distribution of Pb4+Ni2+O3. Namely, PbMO3 changes from Pb2+M4+O3 to Pb2+0.5Pb4+0.5Cr3+O3 (average valence state of Pb3+M3+O3) to Pb2+0.25Pb4+0.75Co2+0.5Co3+0.5O3 (Pb3.5+Co2.5+O3) and to Pb4+M4+O3 according to the order in the periodic table and the depth of d level. Giant negative thermal expansion materials based on such intermetallic charge transfer transition and ferroelectric-palaelectric transitions were developed.

Free Research Field

固体化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

温めると縮む負熱膨張材料は、ナノテクノロジーの進展に伴い深刻化している、熱膨張による位置決めのずれや、異種接合界面の剥離の問題を解決できるとして注目されている。これまでで最大の6.7%もの体積収縮を示すPb0.76La0.04Bi0.20VO3や、最適化された負熱膨張特性を持つBi0.9Sb0.1NiO3を発見した。また、民間企業との共同研究により、BiNi0.85Fe0.15O3合成の2000倍ものスケールアップに成功、試験的な製造委託と外販を開始した。