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2017 Fiscal Year Research-status Report

Development of functional nano thin film by hydrogen ion beam

Research Project

Project/Area Number 17K05832
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

前里 光彦  京都大学, 理学研究科, 准教授 (60324604)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords水素イオンビーム / パラジウム / 酸化物 / 超伝導
Outline of Annual Research Achievements

イオンビームによる水素導入法は、原理的にあらゆる物質に多量の水素を導入することが可能であり、低温で照射すれば室温では水素が脱離しやすい試料に対しても水素を高濃度に導入することが可能である。また、同時に物性測定を行うことで、水素誘起の物性や機能をその場で評価可能であり、固体中の水素に関する詳細な研究も可能となる。本研究では、原理的にあらゆる物質に多量の水素を導入することが出来る水素イオンビーム照射装置を用いて低温での水素注入およびin situ物性測定を行い、多様な薄膜の物性や機能を劇的に変化させることにより、機能性物質の創成を行う。
本年度は、低温での水素イオンビーム照射装置とin situ物性測定方法の確立を行った。高真空を破らずに試料交換を行えるサンプルトランスポートや、低温でも開閉可能な輻射シールドを開発して、3.8 Kの低温まで試料を冷却しin situ物性測定が可能な装置を作製した。その内容をReview of Scientific Instruments誌で報告した。
RFスパッタ装置を用いて金属パラジウムのナノ薄膜を作成し、低温での水素イオンビーム照射による水素誘起超伝導を見出した。また、RFスパッタ装置で作成した酸化亜鉛のナノ薄膜やPLD(Pulsed Laser Deposition)法により作成したSrTiO3のナノ薄膜への低温での水素イオンビーム照射を行い、格子間隙に水素を大量にドープすることにより本来絶縁体である酸化物を金属化することに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

これまでに、低温での水素イオンビーム照射装置開発とin situ物性測定方法の確立が出来た。特に、新しく開発した低温で開閉可能な輻射シールドが効果的に働き、当初目標としていた5 Kよりもさらに低温の3.8 Kまで冷却可能であることを実証した。本装置はクローズドサイクルの冷凍機を用いており、長時間低温でのイオン照射実験を行うことが出来る。また、装置がコンパクトであり、5 kV程度の低加速電圧でイオン照射を行うため、試料へのダメージも少ない。このオリジナルな実験装置開発について論文としてまとめ、Review of Scientific Instruments誌で報告することが出来た。またその装置を用いてパラジウムの水素誘起超伝導や酸化物絶縁体の水素誘起金属化などに成功した。

Strategy for Future Research Activity

前年までに開発した低温での水素イオンビーム照射装置を用いて、遷移金属酸化物やパラジウムなどのナノ薄膜の水素誘起(超)伝導、高性能熱電特性、新奇物性探索を行う。薄膜用X線回折装置を用いて、水素イオンビーム照射前後でin-planeおよびout-of-planeの回折実験を行い、構造変化と物性変化の関係を評価する。さらに、SIMS(二次イオン質量分析法)による試料内部の厚さ方向の元素分析により、試料内部での水素濃度とその分布を定量的に評価・解析する。UV-Vis-NIRスペクトルやカソードルミネッセンス測定によりバンドギャップや電子状態の変化を調べ、さらに、Hall効果の測定によりキャリヤ濃度や易動度の変化を調べる。また、水素を重水素に変えてイオン照射実験を行い、同位体効果について検証する。

  • Research Products

    (23 results)

All 2018 2017

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Design of Spin-Frustrated Monomer-Type C60?? Mott Insulator2018

    • Author(s)
      Otsuka Akihiro、Konarev Dmitri、Lyubovskaya Rimma、Khasanov Salavat、Maesato Mitsuhiko、Yoshida Yukihiro、Saito Gunzi
    • Journal Title

      Crystals

      Volume: 8 Pages: 115~115

    • DOI

      10.3390/cryst8030115

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Synthesis and Physical Properties of New Organic Conductor with Triangular Lattice2018

    • Author(s)
      E. Matsubara, H. Miyazono, S. Tomeno, Y. Kimura, M. Maesato
    • Journal Title

      ELCAS Journal

      Volume: 3 Pages: 13~15

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A compact low-temperature hydrogen ion beam apparatus for in situ physical property measurements2017

    • Author(s)
      Nakayama R.、Suzuki N.、Maesato M.、Nagaoka T.、Arita M.、Kitagawa H.
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 88 Pages: 123904~123904

    • DOI

      10.1063/1.5004517

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Discovery of Hexagonal Structured Pd-B Nanocrystals2017

    • Author(s)
      Kobayashi Keigo、Kobayashi Hirokazu、Maesato Mitsuhiko、Hayashi Mikihiro、Yamamoto Tomokazu、Yoshioka Satoru、Matsumura Syo、Sugiyama Takeharu、Kawaguchi Shogo、Kubota Yoshiki、Nakanishi Hiroshi、Kitagawa Hiroshi
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 56 Pages: 6578~6582

    • DOI

      10.1002/anie.201703209

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Design and Preparation of a Quantum Spin Liquid Candidate κ-(ET)2Ag2(CN)3 having a nearby Superconductivity2017

    • Author(s)
      T. Hiramatsu, Y. Yoshida, G. Saito, A. Otsuka, H. Yamochi, M . Maesato, Y. Shimizu, H. Ito, Y. Nakamura, H. Kishida, M. Watanabe, R. Kumai
    • Journal Title

      Bull. Chem. Soc. Jpn.

      Volume: 90 Pages: 1073~1082

    • DOI

      10.1246/bcsj.20170167

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Superconductivity in Pd Thin Film Irradiated with Hydrogen Ion Beam2018

    • Author(s)
      Naoya Suzuki, Ryo Nakayama, Mitsuhiko Maesato, Hiroshi Kitagawa
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
  • [Presentation] Observation of giant isotope effects induced by deuterium ion beam irradiation of zinc oxide2018

    • Author(s)
      Ryo Nakayama, Naoya Suzuki, Mitsuhiko Maesato, Makoto Arita, Hiroshi Nakanishi, Hiroshi Kiragawa
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
  • [Presentation] Pd-H Chemical Bond in α-phase PdHx2018

    • Author(s)
      Shun Dekura, Hirokazu Kobayashi, Ryuichi Ikeda, Mitsuhiko Maesato, Haruka Yoshino, Masaaki Ohba, Takayoshi Ishimoto, Shogo Kawaguchi, Yoshiki Kubota, Satoru Yoshioka, Syo Matsumura, Takeharu Sugiyama, Hiroshi Kitagawa
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
  • [Presentation] Pd薄膜における水素誘起超伝導 II2018

    • Author(s)
      鈴木直也、中山亮、前里光彦、北川宏
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] 水素イオンビーム照射された酸化亜鉛薄膜における巨大同位体効果2018

    • Author(s)
      中山 亮、鈴木 直也、前里 光彦、有田 誠、中西 寛、北川 宏
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] 陰イオン層にディスオーダーを含まない新規三角格子ET塩2018

    • Author(s)
      留野慎也、前里光彦、吉田幸大、北川宏
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] κ-(ET)2Ag2xCu2(1-x)(CN)3の合成と電子物性2018

    • Author(s)
      吉田幸大、留野慎也、木村要二郎、前里光彦、齋藤軍治、北川宏
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] α相PdHxにおける特異な水素吸蔵状態2018

    • Author(s)
      出倉駿、小林浩和、前里光彦、秋葉宙、山室修、李相賢、萩原雅人、鳥居周輝、神山崇、北川宏
    • Organizer
      日本物理学会第73回年次大会
  • [Presentation] 分子性導体における磁性と伝導性の制御2017

    • Author(s)
      前里光彦
    • Organizer
      第2回固体化学フォーラム研究会
    • Invited
  • [Presentation] 低温下水素イオンビーム照射を用いた酸化亜鉛薄膜の物性制御2017

    • Author(s)
      中山 亮、前里 光彦、長岡 孝、有田 誠、Zhu Wenliang、Pezzotti Giuseppe、北川 宏
    • Organizer
      第2回固体化学フォーラム研究会
  • [Presentation] Iodine-based Functional Materials2017

    • Author(s)
      Mitsuhiko Maesato
    • Organizer
      One Day Symposium of Research Center for Structural Thermodynamics (RCST)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Commonalities and Differences in Spin Liquids Based on BEDT-TTF2017

    • Author(s)
      Mitsuhiko Maesato
    • Organizer
      12th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Uniaxial Straij induced Superconductivity in Quantum Spin Liquid κ-(ET)2Ag2(CN)32017

    • Author(s)
      Shinya Tomeno, Mitsuhiko Maesato, Yukihiro Yoshida, Takaaki Hiramatsu, Gunzi Saito, Hiroshi, Kitagawa
    • Organizer
      12th International Symposium on Crystalline Organic Metals, Superconductors and Magnets (ISCOM2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水素イオンビーム照射による物質・物性変換2017

    • Author(s)
      中山 亮、 鈴木 直也、前里 光彦、有田 誠、北川 宏
    • Organizer
      先端ナノデバイス・材料テクノロジー第151委員会 平成29年度 第4回研究会
    • Invited
  • [Presentation] 酸化亜鉛に対する低温での重水素分子イオン照射による同位体効果の観測2017

    • Author(s)
      中山 亮、鈴木 直也、前里 光彦、有田 誠、北川 宏
    • Organizer
      第11回分子科学討論会
  • [Presentation] Pd薄膜における水素誘起超伝導2017

    • Author(s)
      鈴木直也、中山亮、前里光彦、北川宏
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] 一軸歪下での量子スピン液体κ-(ET)2Ag2(CN)3の超伝導2017

    • Author(s)
      留野慎也、前里光彦、吉田幸大、平松孝章、斎藤軍治、北川宏
    • Organizer
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [Presentation] Isotope Effects in ZnO Induced by Deuterium Ion Beam Irradiation at Low temperature2017

    • Author(s)
      Ryo Nakayama, Mitsuhiko Maesato, Hiroshi Kitagawa
    • Organizer
      3rd Japan-Korea Joint Symposium on Protonics and Related Materials
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-12-17  

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