幾何学フラストレーションを有する磁性酸窒化物の創製と機能創発

具有几何挫败性的磁性氮氧化物的创造和功能出现

基本信息

批准号：
20J15621
负责人：
石田耕大
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J15621/
关键词：
酸窒化物単結晶高圧合成スピンフラストレーション

项目摘要

昨年度までの一連の合成実験の末、基礎学理の観点から酸窒化物の単結晶育成技術の確立が不可欠と考えるようになった。しかしながら、これらの酸窒化物の構造や機能の本質的な理解の大きな障害になっているのが、バルク単結晶が得られてないという事実である。申請者は、これまでの複合アニオン化合物で実験結果をもとに、バルクの酸窒化物単結晶が得られない原因をアニオン種で異なる揮発性にあると考えた。本研究では、アニオンの揮発を抑えるために高圧下でのフラックス法を用いることで、TaONおよびHf2ON2のバルク単結晶を世界で初めて育成することに成功した。特にTaON単結晶については高濃度の電子ドープを達成し、金属的な振舞いを示すこと（既報のTaON粉末は絶縁体）、異方的な電子伝導性を示すことを見出した。このことは高圧下でのフラックス法が遷移金属単結晶の育成のみならずキャリアドーピングの手法としても活用できることを端的に示唆している。さらに、得られたTaONの金属的単結晶を温和な条件で酸素アニールすることで（既報の絶縁体粉末と同じ）黄色の単結晶に変換できることを発見した。TaONは可視光応答の水分解触媒として膨大な研究がなされている一方で、単結晶が得られていなかったがために触媒メカニズムが不明であった。今回の発見は今後TaONベースの光触媒の性能向上の指針を確立する上で重要な役割を担うと期待できる。加えて、単結晶育成に用いるフラックスの違いによって得られる結晶の概形が制御できることや、放射光を用いたin situ測定により単結晶の成長が恒温過程で起きることを明らかにした。これらの知見は酸窒化物単結晶の育成メカニズム解明やさらなる形状エンジニアリングに繋がる。

在一系列的合成实验直到去年之后，我们开始认为，从基本理论的角度来建立一种用于生长氧气单晶的技术至关重要。但是，对这些氧硝酸盐的结构和功能的基本理解的主要障碍是散装单晶没有可用的事实。基于先前复合材料阴离子化合物的实验结果，申请人认为无法获得大量的氧气单晶的原因是阴离子物种的不同挥发性。在这项研究中，我们通过在高压下使用通量方法来抑制阴离子的挥发性，在世界上首次成功地生长了taon和HF2ON2的散装单晶。特别是，发现可以为TAON单晶实现高浓度的电子掺杂，该晶体表现出金属行为（先前报道的Taon粉是一种绝缘子），并且展示了各向异性电子电导率。这简单地表明，高压下的通量不仅可以用作过渡金属的单晶体的生长，而且还可以用作载体掺杂方法。此外，发现通过氧气退火在轻度条件下获得的金属单晶体，它可以转化为黄色的单晶体（与先前报道的绝缘粉相同）。尽管Taon已被广泛研究为可见光的响应水分分解催化剂，但由于未获得单晶的催化剂机制，催化剂机制尚不清楚。预计这一发现将在建立未来改善基于陶恩的光催化剂性能的准则中发挥重要作用。此外，可以揭示通过用于单晶生长的通量差获得的晶体形状可以控制，并且使用同步辐射的原位测量表明，单晶生长在恒定温度过程中发生。这些发现导致阐明了氧氮化物单晶的生长机理并进一步塑造工程。