Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

第一原理計算 / 走査透過型電子顕微鏡法 / 異種界面 / 電子状態 / 双晶 / 走査透過電子顕微鏡法 / セラミックス / 磁性材料

本研究では、機能材料中の異種界面および双晶界面の原子構造と電子状態について、最先端の原子分解能走査透過型電子顕微鏡法(STEM)と密度汎関数法による第一原理計算により研究を行った。
金属と酸化物により形成される異種界面では、界面の原子構造が機能特性に多大な影響を及ぼす。また、界面の原子構造と電子状態は、酸化物結晶の界面における極性に依存して大きく異なると考えられる。本研究では、分子線エピタキシー法によりZnO(0001)および(000-1)面にPd原子を成膜し、原子分解能STEMにより異種界面の観察を行った。STEM像の解析で得られた界面原子構造モデルをもとに約1000原子からなる超格子を作成し、第一原理計算により構造最適化を行い、界面の電子状態を計算した。Pd/ZnO界面の格子定数は18%と大きく異なるが、周期的に原子位置がずれることで不整合を緩和していることが分かった。さらに、界面の化学結合は共有結合とイオン結合の両方の性質を示し、その度合いと電子状態を定量的に明らかにした。
また、磁性材料双晶界面の電子状態についても解析を行った。磁性材料の一つとして応用が期待される四酸化三鉄は、常温でフェリ磁性・半金属性を示し、スピントロニクス、触媒、医療材料など幅広い実用範囲を持つ。本研究では、まず三酸化二鉄結晶を真空中で1246℃で加熱し、四酸化三鉄双晶試料を得た。その後、STEM観察を行い3種類の安定構造を発見した。第一原理計算により原子構造と電子状態を詳しく調べた結果、双晶近傍の強・反磁性は原子構造に依存することが分かり、それぞれ特徴的な電子状態を持つことが明らかになった。また、微分位相コントラストSTEM法により磁気結合を直接観察し、理論計算による予測と整合する結果を得た。

放射光X線 / X線発光 / 磁気円二色性 / 磁性材料 / 磁性電子 / 元素選択性 / 電子状態 / 磁気構造 / 中間状態

本研究は、X線によって物質中の電子が中間状態に励起された後の2次光学過程から放出されるX線のエネルギースペクトル(XES)においてスピン情報をもったXES、すなわちMCD-XESの測定法の開発と遷移金属および希土類金属への応用を目的としている。
最も大きな成果は、KEK-PFにおいてSm-Co合金試料の発光MCDの測定を行い精度のよい測定結果を得るとともに、この実験結果を理論計算グループの計算結果と比較検討したことである。この結果は論文としてまとめ学術雑誌上で公表された。その内容は、Sm_<21>Co_<79>アモルファス合金のL_3M_<4,5>とL_2M_4遷移に対するMCD-XESを精密に測定し、そのスペクトルを双極子遷移成分および四重極遷移成分に分離解析するとともに、これらのスペクトル対する精密な理論計算を行い各成分の内容を詳細に解析したものである。
また、SPring-8においては、XES用のビームラインを立ち上げのために、東北大多元研のメンバーと共に、SPring-8におけるXES測定のための測定装置の製作と整備および種々の基礎実験を行った。すなわち、集光ミラー、二次元検出器、二次元検出器用エネルギー解析装置およびゴニオメータの設置・整備を行った。また、XESのMCD実験を遂行するために、円偏光生成装置(移相子システム)を設計、製作し、動作テスト、試験的スペクトル測定を行った。
これにより、MCD-XESを含め広い範囲に応用可能な高分解能XAFSの測定・解析法を確立できた。これはLifetime-broadening-suppressed/free XANESと命名されており、XESのスペクトルから内殻電子の寿命に由来する分解能の劣化の影響を受けない高分解能のXANESスペクトルを導出するものである。この測定法は、特に将来光源の強度が数倍向上した場合、MCD-XESの応用をきわめて広範な領域に広げるものである。

【研究分担者】
渡辺康裕	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)
中村哲也	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)