Study of metal-insulator transitions in strongly correlated electron material nanocrystals

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K05501
• Research Institution: Saga University
• Principal Investigator: 石渡 洋一 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (00373267)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: ナノ結晶 / 金属絶縁体転移 / 強相関電子系物質 / 溶液合成 / 光電子分光

Outline of Annual Research Achievements

強相関電子系物質では、電子間の相互作用と電子格子の相互作用の働きにより、温度、圧力、不純物量の変化に対して多彩な秩序相が現れるが、そのサイズに対する影響は明らかになっていない。一方、化学においてはナノメートルサイズの結晶の溶液合成技術が進展し、１ナノメートル単位のサイズ制御が可能になっている。本研究では、化学的な溶液合成法を強相関電子系物質に適用し、ナノサイズの結晶における金属絶縁体転移の基本特性の解明、さらには応用可能性を探ることを目的に研究を行った。
酸化バナジウムV2O3ナノ結晶を対象とし、そのサイズを20 nm程度に固定して、Tiドーピング量依存性を調べた。バルクではTiドーピングが金属相の安定化を導くが、ナノ結晶ではTiの高ドーピングによって反対に絶縁体相が導かれることが示された。結晶サイズの低下によって電子間相互作用Uが増大したこと、さらには、コランダム構造のc軸を縮めるように巨大な構造変化が起きたこと（そして、電子格子相互作用によって格子系の変化が電子系に伝えられたこと）が絶縁体相の生じた原因と考えている。本研究で発見されたTiドープV2O3ナノ結晶におけるUの増大と巨大な構造変化の発生は、他の物質系においても該当する普遍的な特性であると考えられるため、強相関電子系物質の相図におけるサイズ軸の重要性を示すことができたと考えている。
関連研究として、Niメタルナノ結晶についても調べた。Niナノ結晶では、バルクのfcc構造と異なりhcp構造が出現するが、ここでも１原子あたりの単位格子体積が20%以上も膨張するという巨大な構造変化が相変化の原因となっていることを明らかにした。この体積膨張によって3d軌道から4sと4p軌道に電子が流れ込み、結果としてhcp構造のバンドエネルギーが最低となることが分かった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NSRRC (Taiwan)(その他の国・地域 Taiwan)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: NSRRC (Taiwan)
• [Journal Article] Corundum insulating phases in highly Ti-doped V2O3 nanocrystals (2020)
  • Author(s): Ishiwata Yoichi, Maruyama Toru, Otsuru Sho, Tsukahara Takuto, Ishii Hirofumi, Liao Yen-Fa, Tsuei Ku-Ding, Imamura Masaki, Takahashi Kazutoshi, Inagaki Yuji, Kawae Tatsuya, Kida Tetsuya, Suehiro Satoshi, Nantoh Masashi, Ishibashi Koji
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Pages: 035415/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.035415
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] hcp NiCo合金ナノ結晶の磁性と電子状態 (2019)
  • Author(s): 大鶴翔, 柿原美希, 塚原拓都, 原田一大, 赤司健太, 稲垣祐次, 河江達也, 石井啓文, Yen-Fa Liao, Ku-Ding Tsuei, 木田徹也, 南任真史, 石橋幸治, 石渡洋一
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] CoドープZnOナノ結晶における磁性と電子状態の相関 (2019)
  • Author(s): 塚原拓都, 安敏志, 大鶴翔, 原田一大, 手塚泰久, 稲垣祐次, 河江達也, 石井啓文, Yen-Fa Liao, 木田徹也, 南任真史, 石橋幸治, 石渡洋一
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] 六方最密構造NiCo 合金ナノ結晶の磁性と電子状態 (2019)
  • Author(s): 大鶴翔, 柿原美希, 塚原拓都, 原田一大, 赤司健太, 稲垣祐次, 河江達也, 石井啓文, Yen-Fa Liao, Ku-Ding Tsuei, 木田徹也, 南任真史, 石橋幸治, 石渡洋一
  • Organizer: 第125 回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] 3d 遷移金属ドープZnO ナノ結晶の磁性と電子状態 (2019)
  • Author(s): 塚原拓都, 安敏志, 大鶴翔, 原田一大, 手塚泰久, 足立純一, 稲垣祐次, 河江達也, 石井啓文, Yen-Fa Liao, 木田徹也, 南任真史, 石橋幸治, 石渡洋一
  • Organizer: 第125 回日本物理学会九州支部例会
• [Presentation] CrドープV2O3ナノ結晶の光電子分光 (2019)
  • Author(s): 原田一大, 大鶴翔, 石井啓文, Yen-Fa Liao, Ku-Ding Tsuei, 今村真幸, 高橋和敏, 稲垣祐次, 河江達也, 木田徹也, 南任真史, 石橋幸治, 石渡洋一
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会