軽元素修飾した量子かごの特性評価と高容量二次電池用環境エネルギー材料の設計プラットホームの構築

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新しい二次電池を開発するためには、水素のような軽元素が自由に出入りする「量子かご」の性質を理解することが必要である。本研究では、ZnOを対象物質に選びに、水素およびドーパントによる電気伝導度の変化を実験と計算により調べた。本研究では、純ZnO、およびドーパントとしてLi、Al、Mn、Co、Cuをそれぞれ添加した粉末試料を作製した。焼結後、薄い板状試料を作り、それに水素イオンを注入した。水素イオン注入前後の水素量を反跳原子検出法(ERD)によって測定した。また注入前後の直流電気抵抗も測定した。水素イオン注入によってZnO試料の電気伝導度が向上し、純ZnO試料において電気伝導度は5×10^<-2>Ω^<-1>cm^<-1>から3.5×10^2Ω^<-1>cm^<-1>となった。このように、水素はドナー元素として有効に働いている。水素注入層の伝導度は、Cuをドープした場合、約9桁向上した。これらの結果から、水素とドーパントの相互作用を考慮することにより、ZnOの粒界・粒内の電気伝導度を制御することができることがわかった。さらに、DV-Xα分子軌道法および擬ポテンシャル法によって、ZnO電気伝導性に及ばす不純物と水素の効果について理論的に明らかにした。また、近年光通信で利用される1.5μm帯の発光特性を示すErの新たなホスト材料として、ZnOが注目されている。本研究では、はじめに添加量の異なる焼結体ZnOを作製、PL測定を行った。次に熱処理条件の影響を調べるため、焼結温度、冷却条件を変化させた試料を作り、PL測定を行った。1.5μm帯の発光強度が最も強い条件はEr添加量約2.6%、焼結温度1350℃から空冷である。本研究から、ZnO中のEr発光中心は、ZnOの粒界に存在し、周りの酸素イオン配列がEr_2O_3に似たEr-O_6でないかと考えられる。以上のように、ZnOの中の「量子かご」の特異性を示すことができた。