機能性酸化物
高度情報化社会の到来を前に、シリコンを中心とする半導体物理の上に発展してきた電子技術はその限界が見え始めています。さらに、持続可能な社会の構築に向けて、従来の電子デバイスのみならず、資源・エネルギー・環境問題の解決に向けた新しい機能特性を示す材料の開発が将来の産業発展を目指す上で必要となっています。
無機酸化物は半導体にはない多彩な物性(誘電性、磁性、光学特性、電気化学性、電気伝導性、等々)を示し、多くの新しい機能を実現する材料として期待されています。
酸化物材料の示す多彩な物性(=機能)は、その結晶構造の柔軟性と電子状態の多様性の現れに他なりません。
特に、遷移金属酸化物では、遷移金属元素のd 軌道と酸素のp 軌道との強い混成や、クーロン相互作用、バンド幅、交換相互作用などのエネルギーの拮抗が起こり、これらが電子-スピン-格子にわたる多彩な物性を引き出しているのです。
我々が研究対象として注目するのは、この「機能性酸化物」です。
「ものづくり」という化学の原点に、ナノサイエンスの視点を加えて発展させて、「組成/構造/かたち」の制御を通して固体の電子系と原子系の制御を体系的に進めるという固体化学的アプローチが我々の研究スタイルです。ナノスケールレベルで構造制御された物質の設計・合成・評価を通して、多彩な「物性」の起源である結晶構造や電子状態を解明し、新たな「機能材料」を探索・開発していくことを目標に研究を進めていきます。
実験は、試料作成、結晶構造解析、物性測定、電子状態計算を中心に進めます。
試料合成は、平衡状態図に基づく多結晶体の作成や単結晶の育成、さらには薄膜も含めた多様な手法を用います。
特に、キュービックアンビルセルを用いた高圧下での試料合成や、パルスレーザー蒸着法による薄膜や人工超格子の作成など、独創的な物質合成手法を有しています。
また、結晶構造解析では先端構造評価技術である放射光x線や中性子も利用します。 物性評価では、電気・磁気的特性を中心に測定を行います。

注目している物質群
強相関電子系材料
近年の物性物理において、強い電子相関に基づく興味深い特性が数多く報告されています。
例えば、酸化物高温超伝導体や、ペロブスカイト構造Mn酸化物に見られる巨大磁気抵抗(CMR)などもその一例です。
我々は、このような材料の研究に「新物質」という化学的なアプローチで取り組みたいと考えています。
特に、高圧合成により、常圧下では安定に存在しない新物質や低次元の伝導体や磁性体を合成することができ、この分野の研究のモデル物質を提示したいと思っています。
強誘電体材料
強誘電体を使ったメモリ(FeRAM)の研究開発が活発化しています。
変位型強誘電体では、イオンの変位が分極を引き起こしますので、我々は、ペロブスカイト構造やBi層状構造を持つ酸化物誘電体材料の基礎的な研究を放射光X線や中性子を用いた精密な結晶構造解析からアプローチしたいと考えています。
材料の基礎研究からデバイス開発の指針を示すことが期待されます。
磁性材料
スピンの自由度を制御する新しい技術分野「スピントロニクス」が芽生え始めています。
磁性体を使った新しいメモリ(MRAM)やスピントンネル素子などがその例です。
このようなデバイスには高いスピン偏極率を持った伝導電子が重要な役割を果たします。
特に酸化物材料では、強相関電子系材料を含め、スピンと電気伝導が強く相関する物質が数多く見つかっています。
このような材料系にも新物質探索から取り組みたいと思っています。
透明・光学材料
遷移金属酸化物では、酸素のp軌道と遷移金属のd軌道から幅広いバンドギャップが形成され、透明材料や非線形光学材料などになります。
この分野も新材料の開発が切望されています。
我々は、精密な結晶構造解析を基にバンド計算を行うことで、透明・光学材料のバンドギャップなどの光学特性と関係する物性評価を行っていこうと思っています。
電気化学材料・エネルギー材料
電気化学的な機能を使った端的な例は電池です。リチウムイオン2次電池などは、Liイオンの可逆的な出入りを電気エネルギーとして取りだしています。
そこでは、欠陥構造を含めた構造解析が大きな評価ツールとなります。
上記は物性(=機能)に注目して材料を分類しましたが、我々は更にこれらの機能が複合して生じる新しい物理や化学に注目しています。
例えば、磁性と誘電性を併せ持つ材料でその特性をコントロールできれば、今までにはない新しいメモリも可能になります。
一方、固体化学の視点に立てば、これらの機能を発現する舞台は「結晶構造」です。
特に酸化物では、ペロブスカイト構造、スピネル構造、パイロクロア構造、など多彩な構造がイオン間の結合を制御し、電気伝導、磁性、誘電性、光学特性に大きな影響を与えます。
我々は、構造的な特徴と物性(=機能)の相関を探ることが、新しい機能材料の開発の端緒であると信じています。
研究紹介
研究の最前線「新しい機能性酸化物材料の探索」
より幅広い研究を展開するために、化学研究所内の他の研究領域の他、国内外の多くの研究室とも共同して研究を進めていきます。
多くの議論に加え、様々な研究室の実験装置を共用することで、機能性材料の設計・合成・加工・評価、をより効率的に進めることが出来ます。
京都大学「紅萠」21号(2012).
研究ハイライト「人工超格子での酸素イオン拡散の制御に成功-固体燃料電池や酸素貯蔵材料の開発へ向けた新展開-」
京都大学化学研究所「黄檗」36号(2011).
研究ハイライト「新しい機能性酸化物材料の発見」
京都大学化学研究所「黄檗」31号(2009).
研究ハイライト「酸化物青色発光材料の発見と微細加工による発光パターン」
京都大学化学研究所「黄檗」24号(2006).