2022 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of high-temperature superconducting mechanism and development of new superconducting material to be verified by thoroughly imitating high-temperature superconducting cuprates
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21J20049
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
宮武 知範 横浜国立大学, 大学院理工学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 高温超伝導 / ニッケル酸化物 / 層状化合物 / 新超伝導体 / 元素置換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では銅酸化物高温超伝導体(HTSC)と同じ結晶構造・電子的特徴を持つ層状Ni酸化物R4Ni3O8(R=La,Pr,Nd,Sm)に着目する。HTSCの電子状態を徹底的に模倣して両者を比較することで、高温超伝導発現に必要な条件を抽出し、超伝導機構解明と転移温度(Tc)向上に寄与する。層状Ni酸化物では近年、薄膜のみであるが(R,Sr)NiO2およびR6Ni5O12における超伝導が報告された。更なる研究のために類縁物質における超伝導探索が必要である。
Pr4Ni3O8およびNd4Ni3O8に対して、元素置換によりキャリア量調節を行い、Ni-3d電子数をHTSCにおける最適ドープである3d8.85に近づけることを試みた。①昨年度に引き続きNiサイトへの元素置換を試みた。本年度はTi,Crをドープした。KEK-PFにて行ったX線吸収微細構造(XAFS)実験の結果、それぞれTi4+,Cr3+として存在することが確かめられた。電気抵抗は金属的だが超伝導は確認されていない。次年度は引き続き新たなドーパントの探索を行うほか、ゼーベック係数の測定からキャリア量の変化を検証する。②Niサイト元素置換では、2つあるNiサイトのうち一方のみを元素置換して、伝導面であるNiO2面をクリーンに保つことが望ましい。これを検証するためにJ-PARCにて粉末中性子回折(NPD)実験を行った。現在は実験で得たデータの解析中である。③本年度は新たにOサイトにフッ素Fをドープした試料の合成を試みた。X線光電子分光(XPS)実験の結果、OがFに置換されており、これに伴うNiの電子状態変化も確認された。電気抵抗率の減少と金属伝導も確認されており、キャリア量の変化が示唆されるが、超伝導は確認されていない。次年度は試料合成条件の最適化を試みるほか、ドープされたFのサイト推定をXPSなどの結果から行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Pr4Ni3O8およびNd4Ni3O8に対してキャリア量調節を行い、Ni-3d電子数をHTSCにおける最適ドープである3d8.85に近づけることを試みた。①昨年度に引き続きNiサイトにTi,Crをドープした試料の合成を行い、ドーピングに伴う電子状態と物性の変化を分光実験と電気抵抗・磁化測定により確認できた。キャリアドープの効果については分光実験結果の解釈が難しい状況だが、今後ゼーベック効果などの物性測定により検証する予定である。②選択的置換の検証については、当初XAFSの局所構造解析により検証する計画だったが、構造モデルが複雑となり過ぎて原理的に解析が困難であることが判明し、断念せざるを得なかった。しかし代替手法としてNPD実験を行うことができたため、引き続き検証を行うことができる。③本年度は新たにOサイトのF置換を行い、ドーピングに伴う電子状態と物性の変化を分光実験と電気抵抗・磁化測定により確認できた。今後さらなる条件最適化が必要であるが、Fドープが有効なキャリアドープ手法として確立する見込みが立った。④一方、当初計画していた電界効果キャリアドープについては、電界効果トランジスタ(FET)デバイスの作製に難航している。電極の蒸着や端子付けが難しいことから機械的接触による導通を試みたが、特に低温における測定値のノイズが激しく、さらなるデバイス構造の改善が必要である。
また、本年度は上記のうち①③の研究成果について、国内学会のみならず国際学会にて発表を行い、査読付きプロシーディングス誌への掲載も決定しているなど、研究成果のアウトプットについても順調に行うことができている。このように、今年度当初に計画していた研究のうち、予定通り進んだもの(①)、予定より大きく進展したもの(②③)、予定より後退しているもの(②④)があるが、全体としてはおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度も引き続きR4Ni3O8に対してキャリア量調節を行い、Ni-3d電子数をHTSCにおける最適ドープである3d8.85に近づけることを試みる。①Niサイトを置換するドーパントをさらに探索する。3d遷移金属については調べ尽くしたため、4d,5d遷移金属を中心に探索する予定である。得られた試料は電気抵抗・磁化測定による超伝導の検証、およびXPS,XAFSによる化学状態分析を通して、キャリアドープの効果を検証する。②NPD実験の結果について結晶構造解析を行い、Niサイトへの選択的置換が実現しているかを検証する。また同時に、酸素欠損や過剰酸素の有無や定量についても解析を行い、これらがキャリアドープに与える効果を検証する予定である。③OサイトのF置換については合成条件の最適化を行い、ドープするF量のコントロールを試み、適正な量のキャリアドープにより超伝導発現を目指す。また、ドープされたFが存在するサイトをXPSなどの結果から推定することを試みる。④元素置換によらない電界効果ドーピングについて、引き続きFETデバイス構造の改善を試みる。電極の蒸着や端子付けが難しいことから機械的接触による導通が有望であるが、特に低温における測定値のノイズが激しいことから、導通接触の取り方などに工夫が必要であると考えられる。
また上記内容に加えて以下の内容を実施予定である。⑤より低温までの物性測定により超伝導発現を検証する。電気抵抗について1Kまで、磁化測定について0.3Kまで安定して測定できる実験系が構築されたため、これを用いてより低温までの超伝導発現を検証する。⑥キャリアドープの効果を物性測定により検証する。本物質は多結晶であるためホール効果の測定では有意な結果が得られにくいため、ゼーベック効果の測定を低温まで行い、キャリアの符号やキャリア量の相対変化を検証する予定である。
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