原子空孔の配列を制御する新手法の発見

図1 トポケミカル反応時の応力により、原子空孔の配置が異なる結晶を作成
図中の黒線の間にある原子の数により周期が決まる。


 

京都大学アイセムス(物質-細胞統合システム拠点)
東京工業大学
東京大学大学院理学系研究科
筑波大学
大阪大学
高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
科学技術振興機構

 

概要

京都大学アイセムス陰山洋連携主任研究者(兼工学研究科教授)、同工学研究科高津浩特定講師、同理学研究科北川俊作助教、同石田憲二教授、東京工業大学科学技術創成研究院フロンティア材料研究所山本隆文准教授(元京都大学助教)、同理学院八島正知教授、東京大学大学院理学系研究科長谷川哲也教授、筑波大学数理物質系関場大一郎講師、大阪大学大学院理学研究科越智正之助教、同黒木和彦教授、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所大友季哉教授らの研究グループは、物質・材料研究機構、分子科学研究所、米国ミシガン大学、同国立標準技術研究所との共同研究によって、無機結晶の原子空孔注1)の配列パターンを応力によって制御することに成功しました。原子空孔は、超伝導やイオン伝導など様々な機能に本質的な影響を与えることは知られていましたが、今までは配列パターンを自在制御した例はありませんでした。

 

本研究では、バナジウム酸化物の薄膜試料に対し、基板から応力を与えながら低温トポケミカル反応を起こすことで、酸素の空孔面が形成する方向やその周期を変化させられることを世界に先駆けて発見しました。酸素空孔の配列パターンは、超伝導や磁性、イオン伝導などの諸物性に大きな影響を与えることが知られています。このため、酸素空孔の配列パターンを自在に制御するための指針を提示した本研究は、設計は不可能と考えられていた無機物質合成の状況を一変させるだけでなく、オンデマンド型の機能開発を可能にするものです。今後、本手法を利用することで新しいタイプの電気・光変換機能や高い転移温度をもった超伝導など、革新的機能材料の開発が期待されます。

 

本研究成果は、科学研究費助成事業新学術領域研究「複合アニオン化合物の創製と新機能」、戦略的創造研究推進事業CREST「アニオン超空間を活かした無機化合物の創製と機能開拓」の一環として行われ、英国のオンライン科学誌「ネイチャーコミュニケーションズ(Nature Communications)」誌でロンドン時間11月23日に公開されました。

研究成果のポイント

  • 酸化物合成において応力を与えることで原子空孔面の方向や周期の制御に成功
  • エネルギーランドスケープに立脚した酸化物の合理的設計への道を拓く
  • 今後、電気・光変換機能や高い転移温度をもつ超伝導など、革新的機能材料の開発が期待される

詳しくは  プレスリリース  をご参照ください。