旭硝子財団助成研究成果報告2023

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旭硝子財団　助成研究成果報告（2023）バルク金属とは異なり，金属クラスター（原子数100個以下の極微小粒子）は，量子サイズ効果が顕在化し，その物性や反応性が粒子の数や種類により劇的に変化する．その本質は，原子たった1つの違いでその価電子構造が変調を受けることにある．金属クラスターを新たな機能性材料として活用する試みが活発に行われているが，その合理的設計指針を獲得し，1原子操作に基づく究極的物質科学を確立するためには，この本質を深く理解する必要がある．金属クラスター中における価電子は，量子井戸に閉じ込められた自由粒子と近似でき，その場合，原子軌道と同様な超原子軌道（1S, 1P, 1D, 2S, 1F,・・・）を形成することが量子論的に示される．しかし，その実証例が極めて乏しい．本研究では，光電子画像観測法による金属クラスターの「超原子軌道イメージング」を行い，同軌道の実験的検証に挑戦する．Quantum-size effects become apparent in metal clsuters, where their physical and chemical properties drasti-cally change with the cluster size. The essence of this effect lies in the fact that their valence electronic struc-tures are modulated by just a single atom. Although there are active attempts to utilize metal clusters as new functional materials, a deep understanding of this essence is necessary to obtain a rational design guideline and establish ultimate material science based on single atom manipulation. Although quantum theory predicts that valence electrons in metal clusters form superatomic orbitals (1S, 1P, 1D, 2S, 1F, ...), which are similar to ordinary atomic orbitals, there are very few experimenal demonstrations. In this study, we challenge the ex-perimental verification of these superatomic orbitals formed in metal clusters using a novel photoelectron imaging appratus that we have built very recenlty.誘電体キャパシタは高出力密度かつ長寿命な蓄電素子であるが，エネルギー密度が小さいことが課題となっている．本研究ではBaTiO3強誘電体セラミックスを対象に，アクセプタとプロトン（H+）またはアクセプタと酸素空孔(VO··)からなる欠陥双極子を導入することでエネルギー貯蔵密度の向上を図った．希土類系アクセプタとH+を導入した試料においては，ドメイン壁へのH+の蓄積により欠陥双極子の形成が阻害されていることが示唆された．一方，アクセプタとしてCu選択しVO··を導入した試料では，欠陥双極子を形成により電場ゼロにおけるマルチドメイン構造が安定化し，電場のon/offに伴う分極値の変化量が大幅に増加した．本研究により，欠陥双極子を利用した材料設計がエネルギー貯蔵密度の向上に有効な手法であることが示された．Dielectric ceramic capacitors are energy storage components with a high-power density and long lifetime. However, low energy density compared to other energy storage components has been an issue to be over-come. In this study, we investigate the impact of defect dipoles on the polarization properties of accep-tor-doped ferroelectric BaTiO3 ceramics. Defect dipoles comprised of acceptor and proton (H+) or oxygen vacancy are investigated. It is suggested that H+ is trapped at ferroelectric domain walls rather than acceptors in ceramics with rare-earth acceptors. In contrast, Cu-doped ceramics with oxygen vacancies exhibit double polarization (P)-electric field (E) hysteresis loops with a large polarization variation, which indicates that de-46堀尾　琢哉金属クラスターの超原子軌道イメージング43Takuya HORIO松尾　拓紀44Hiroki MATSUO（2022採択）Imaging of superatomic orbitals in metal clusters(Project 2022)次世代蓄電デバイスの開発に向けた欠陥双極子誘起強誘電体の創製（2022採択）Development of defect dipole-induced ferroelectrics for next-generation energy storage devices(Project 2022)