2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of optical functions in transition-metal mixed-anion oxide thin films
| Project/Area Number |
19H02594
|
|---|
| Research Institution | Ochanomizu University |
|---|
Principal Investigator |
近松 彰 お茶の水女子大学, 基幹研究院, 准教授 (40528048)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
和達 大樹 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (00579972)
酒井 志朗 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 上級研究員 (80506733)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 複合アニオン / 薄膜新材料 / 光機能 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
遷移金属酸化物の多くは強相関電子系と呼ばれる物質群であり、強いクーロン斥力相互作用から生じる電子相関の効果により特異な物性を示す。強相関遷移金属酸化物の中において、光照射により電気伝導性や磁性が変化する現象が観測されている。例えば、バナジウム系（VO2等）の光誘起金属―絶縁体転移や、マンガン系（La1-xCaxMnO3等）の光誘起磁化などが知られている。光で物性を操作する光科学の研究は、電子・スピン物性の理解、非平衡物質相の探索、および光による物性の超高速スイッチング等の応用に貢献している。
近年、遷移金属酸化物の酸素サイトの一部を水素や窒素、フッ素などの異種アニオンをドープした複合アニオン酸化物が、新しい無機化合物群として注目されている。遷移金属酸化物への光照射の研究で豊かな物性が開拓されてきたことを考えると、複合アニオン酸化物でもさらなる新しい光機能の発現は疑いない。本研究では、アニオンドープ酸化物エピタキシー法の新合成ルートを開拓し、遷移金属複合アニオン酸化物薄膜・ヘテロ構造の新しい光機能の創出を目指すとともに、複合アニオン酸化物薄膜の光機能発現機構を電子状態の観点から解明することを目的とする。
令和3年度は、①新しいビスマス鉄酸化物薄膜の作製と誘電・磁気特性評価、②層状ルテニウム酸フッ化物薄膜に関する研究の論文化および光照射実験、③電子分光測定による複合アニオン酸化物薄膜の電子状態解明の研究を行った。本年度途中に所属先の異動があり研究環境が変化したが、論文もコンスタントに出すことができ、研究を概ね順調に進めることが出来た。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①の新しいビスマス鉄酸化物薄膜の作製と誘電・磁気特性評価では、Bi0.8Ba0.2FeO2.8F0.2単結晶薄膜の作製に成功し、薄膜中のFeが3価であること、室温で強誘電性と弱強磁性が発現することを見出した。
②の層状ルテニウム酸フッ化物薄膜に関する研究の論文化および光照射実験では、作製に成功した新規層状ルテニウム酸フッ化物Ca2RuO2.5F2単結晶薄膜について、種々の実験で見出したRuの異常原子価、結晶中のCa, Ru, Fの原子位置、電気伝導メカニズムを論文にまとめ、Phys. Rev. Mater.に報告した。また、Ca2RuO2.5F2単結晶薄膜の第2高調波発生実験にも挑戦した。
③電子分光測定による複合アニオン酸化物薄膜の電子状態解明の研究では、新規ニッケル酸フッ化物La3/2Sr1/2NiOxFyおよびマルチフェロイック物質であるM2Mo3O8 (M = Mn, Fe)エピタキシャル薄膜の各元素の価数および価電子帯、伝導帯の電子状態を、放射光光電子分光とX線吸収分光により明らかにした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、(1)ビスマス鉄酸化物薄膜、イットリウムマンガン酸化物薄膜のトポケミカル反応によるフッ化と塩化の達成、(2)上記薄膜のマルチフェロイック特性の解明および特異な光機能物性の探索、(3)電子分光および(4)理論計算による光機能メカニズム解明の観点から進める。
(1)に関して、省エネルギー材料として期待されているマルチフェロイック物質ビスマス鉄酸化物薄膜・イットリウムマンガン酸化物のナノ薄膜をパルスレーザー堆積法により作製し、それらをトポケミカル反応によりフッ化または塩化させることで、新しいマルチフェロイック特性を発現させる。
(2)に関して、(1)で作製に成功した新規ビスマス・マンガン酸フッ化物・酸塩化物薄膜に対し、結晶構造・化学組成とマルチフェロイック特性（磁気特性および誘電特性）の関係を明らかにするとともに、光誘起による絶縁体－金属転移、磁化の探索を行う。また、基板応力を変えることによる物性の変化も明らかにする。
(3)は、電子分光実験により、作製した新規ビスマス・マンガン酸フッ化物・酸塩化物薄膜の光誘起に伴う電子状態を測定する。元素の寄与を直接観測できる共鳴光電子分光や磁気特性も観測できるX線磁気円二色性測定だけでなく、光誘起による伝導性・磁性のピコ秒・フェムト秒スケールでの過渡的な状態を観測する時間分解型X線測定を行う。これらの測定により、光機能メカニズムを解明する。
(4)は、密度汎関数法に基づく第一原理計算と動的平均場理論の複合手法を用いて、アニオンの局所構造と物性の関連性を考察する。これにより計算された電子励起スペクトルを上述の分光実験の結果と比較することで、電子状態を明らかにする。さらに、非平衡状態へ拡張された動的平均場理論を用いた光励起ダイナミクスの計算によって、光機能メカニズムを解明する。
|
