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

基本信息

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

项目摘要

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。

我们的目标是通过利用氢（H+和H-）的相反电荷态变化以及材料内的扩散来对电子物理特性和功能应用进行新的控制。到目前为止，我们已经在氢钇薄膜中实现了第一个可逆的光诱导绝缘体到金属的转变，并提出了与氢离子氧化还原反应（H- →/← H+ + 2e-）相关的位点转移作为其机制。。然而，到目前为止，人们只知道隔热工艺，并且需要高温和长时间（>100°C，约小时）一直是光电应用中的一个问题。因此，在这项研究中，我们的目标是通过电场驱动控制氢的电荷状态来实现氢化物的新颖物理性质调制，包括高速电致变色。在2021财年，我们进行了研究，以评估潜在的响应性并阐明由于通过初步实验发现的在水溶液中的潜在应用而导致的金属-绝缘体转变的机制。首先，为了评估反应电位和时间尺度，我们使用透明导电膜（掺铌TiO2）作为集电器制作了层压薄膜，并评估了电位响应。当在NaOH水溶液中向用UV光照射的黑色薄膜施加+1.0V vs.RHE的电势时，发现其在10秒内变得透明。这比热透明要快得多，热透明需要在 125°C 下 2 小时。为了研究施加电位引起的这种绝缘的机理，我们评估了施加电位之前和之后的结构和组成。 X射线衍射证实钇fcc骨架得以维持。另一方面，使用氘(D)标记薄膜的氢组成评价(核反应分析法)表明含氢物质在薄膜和溶液之间扩散。未来，我们将区分绝缘机制中的电场效应和化学替代效应，并开发积极利用氢扩散的物理特性。

项目成果

期刊论文数量（18）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

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

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
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

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

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
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

TRIUMF(カナダ)

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