水素の荷電状態制御に基づく高速電子物性スイッチング

基于氢荷电状态控制的高速电子特性切换

• 批准号: 21J12651
• 负责人: 小松 遊矢
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12651/
• 关键词: 酸水素化物; 金属-絶縁体転移; エピタキシャル薄膜; 電気・光学特性制御

水素の対極的な荷電状態変化(H+およびH-)や物質内拡散を活用した、新たな電子物性制御および機能応用を目指している。これまでに、イットリウム酸水素化物薄膜における可逆な光誘起絶縁体-金属転移を初めて達成し、メカニズムとして水素イオンの酸化還元反応(H- →/← H+ + 2e-)に伴うサイト間移動を提案した。しかし、絶縁化プロセスはこれまで熱的なものしか知られておらず、高温・長時間(>100℃, ~hours)を要する点が光エレクトロニクス応用における課題であった。そこで本研究では、電場駆動による水素の荷電状態制御を用いた、高速エレクトロクロミズムをはじめとする水素化物の新奇な物性変調を狙った。2021年度は、予備実験により見出された水溶液中電位印加による金属-絶縁体転移に関して、電位応答性評価やメカニズム解明に向けた検討を行った。はじめに、反応電位や時間スケールを評価するため、透明導電膜(Nb-doped TiO2)を集電体とした積層薄膜作製および電位応答性評価を行った。UV光照射した黒色薄膜に対して、NaOH水溶液中にて+1.0 V vs. RHEの電位印加を行ったところ、10 secでの透明化を見出した。これは、熱による透明化が125℃、2 hourを要するのと比較して大幅に速い。この電位印加絶縁化のメカニズムを調べるため、電位印加前後における構造・組成評価を行った。X線回折からはイットリウムfcc骨格の維持を確認した。一方で、重水素(D)ラベリングした薄膜を用いた水素組成評価(核反応分析法)からは薄膜-溶液間における水素含有種の拡散を示唆する結果が得られた。今後は、絶縁化メカニズムにおける電界効果と化学置換効果の判別や、水素拡散を積極的に活用した物性開拓へと展開する。

该公司旨在通过利用相反的氢（H+和H-）和材料内扩散的相反变化来控制电子特性和功能应用。迄今为止，我们首次实现了可逆的光诱导的绝缘剂 - 金属晶体，并提出了拟议的跨地点迁移，并伴随着氢离子（H-→/←H + + + 2e-）的氧化还原反应作为一种机制。但是，到目前为止，仅知道热绝缘过程，光学电子应用的问题是它们需要高温和长时间（> 100°C，〜小时）。因此，在这项研究中，我们旨在使用电场驱动来控制氢气电荷状态的氢化物的新型物理特性，包括高速电性色素。在2021财年，我们进行了一项研究，以评估潜在的反应并阐明由于在水溶液中的应用在水溶液中的应用而引起的金属 - 绝缘体过渡的机理，这是通过初步实验发现的。首先，为了评估反应潜力和时间尺度，制造了使用透明导电膜（NB掺杂TIO2）作为当前收集器的层压薄膜，并进行了潜在的响应评估。当将+1.0 V与RHE的电势应用于水溶液中用紫外光照射的黑色薄膜时，发现它在10秒钟内变得透明。这要比在125°C和2小时时所需的热透明度要快得多。为了研究潜在应用绝缘的机制，在潜在应用之前和之后评估了结构和组成。 X射线衍射证实了Yttrium FCC骨骼的维护。另一方面，使用氘（D）标记薄膜的氢组成评估（核反应分析）产生的结果表明，含氢的物种在薄膜和溶液之间扩散。将来，我们将开发一个过程，以鉴定绝缘机制中的现场效应和化学替代效应，并通过积极利用氢扩散来发展物理特性。

项目成果

光と加熱で、金属と絶縁体を行ったり来たり

利用光和热在金属和绝缘体之间来回切换

Photo-induced hydrogen diffusion in yttrium oxy-hydride epitaxial thin films

氢氧化钇外延薄膜中的光致氢扩散

• 发表时间: 2021
• 作者: Yuya Komatsu;Jun Sugiyama;Ryota Shimizu;Kazunori Nishio;Masahiro Miyauchi;Markus Wilde;Katsuyuki Fukutani;Ryan McFadden;Martin Dehn;Victoria Karner;Derek Fujimoto;John Ticknor;Aris Chatzichristos;Monika Stachura;David Cortie;Gerald Morris
• 通讯作者: Gerald Morris

Repeatable photo-induced insulator-to-metal transition in YOxHy epitaxial thin films

YOxHy 外延薄膜中可重复的光诱导绝缘体到金属转变

• 发表时间: 2021
• 作者: Yuya Komatsu;Ryota Shimizu;Ryuhei Sato;Markus Wilde;Kazunori Nishio;Daiju Matsumura;Hiroyuki Saitoh;Katsuyuki Fukutani;Shinji Tsuneyuki;Taro Hitosugi
• 通讯作者: Taro Hitosugi

高性能な光応答イットリウム化合物薄膜を作製し光照射と加熱によって絶縁体と金属の繰り返し変化に成功

创造了高性能光响应钇化合物薄膜，并成功通过光照射和加热反复将其转变为绝缘体和金属。

TRIUMF(カナダ)

凯旋（加拿大）