グラファイト型新炭素系物質の創製と電子状態およびフォノン構造の実験的・理論的解明

新型石墨型碳基材料的创建以及电子态和声子结构的实验和理论阐明

• 批准号: 05J00419
• 负责人: 柳澤 啓史
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J00419/
• 关键词: B-C-N蜂の巣構造薄膜; BC_3蜂の巣構造薄膜; グラファイト; フォノン分散曲線; 高分解能電子エネルギー損失分光法; 第一原理計算

現在、物質科学の分野で、新奇な機能的構造や物理現象の探求のために、ホウ素、炭素、窒素からなる蜂の巣構造の新しい化合物(B-C-N蜂の巣構造化合物)の作製と、その物性評価は重要な課題となっています。最近、本研究の流れにおいて、金属二ホウ化物内の不純物炭素原子の表面析出現象を利用して、組成の異なるB-C蜂の巣構造薄膜を作製する方法を開発しました。作製されたB-C蜂の巣構造薄膜の中で、BC_3蜂の巣構造薄膜は表面全体を一様に覆っているエピタキシャル膜であることが実験的に示唆されていました。BC_3はグラファイトと同じ蜂の巣構造をもった物質で、(1)グラファイトに比べると電気伝導度が高いことが実験で示され、(2)高い超伝導転移温度(T_C=70K以上)を持つ可能性を理論的に予想される等、基礎、応用の多くの分野で注目を集めています。しかし、BC_3は20年前にその構造と作製方法が提案されたにも関わらず巨視的なスケールの結晶が作製されなかったため、その物性(格子定数や原子位置、結合状態、電子構造、フォノン構造)に関する情報を実験的に得ることが出来ていないのが現状であります。本研究では、作製したB-C蜂の巣構造薄膜のフォノン分散曲線を、高分解能電子エネルギー損失分光法を用いて測定し、第一原理計算を用いたフォノンエネルギー計算を行うことで、BC_3のフォノン分散曲線を解析すると共に、組成、格子定数、電子状態の実験結果と合わせて、この薄膜がBC_3であることを同定しました。また、BC_3が試料加熱により成長する過程において、BC_3よりも格子定数の長いもう一つのBC_3が成長することを、組成、格子定数、フォノン構造の実験結果及び、第一原理計算を基にしたフォノンエネルギー計算による解析を用いて明らかにしました。

目前，在材料科学领域，由硼、碳、氮组成的蜂窝结构新型化合物（B-C-N蜂窝结构化合物）的创制及其物理性能的评价对于探索新型功能结构和物理性能具有重要意义。这已经成为一个问题。最近，在这项研究过程中，我们开发了一种利用金属二硼化物中杂质碳原子的表面沉淀现象来制备不同成分的B-C蜂窝结构薄膜的方法。在所制备的B-C蜂窝结构薄膜中，实验表明BC_3蜂窝结构薄膜是均匀覆盖整个表面的外延膜。 BC_3是一种与石墨相同的蜂窝状结构的材料，并且（1）实验表明它具有比石墨更高的导电率，并且（2）它可能具有高的超导转变温度（T_C=70K或更高）。在许多基础和应用领域（例如理论预测）引起了人们的关注。然而，尽管BC_3的结构和生产方法在20年前就已提出，但宏观尺度的晶体尚未制造出来）目前，我们还无法通过实验获得这方面的信息。本研究利用高分辨率电子能量损失谱测量了所制备的B-C蜂窝结构薄膜的声子色散曲线，并利用第一性原理计算计算了声子能量，通过分析和组合确定了BC_3的声子色散曲线。根据成分、晶格常数和电子态的实验结果，我们将该薄膜鉴定为BC_3。另外，根据成分、晶格常数、声子结构的实验结果，以及基于第一性原理计算的声子，在通过样品加热生长BC_3的过程中，生长出另一种比BC_3晶格常数更长的BC_3。使用能量计算分析阐明了这一点。

项目成果

エピタキシャル単原子層BC_3薄膜のフォノン構造

外延单层BC_3薄膜的声子结构

• 发表时间: 2007
• 期刊: 固体物理 第42巻
• 作者: 柳沢啓史;大島忠平
• 通讯作者: 大島忠平

Scanning tunneling microscopyu stude on a BC_3 covered NbB_2(0001) surface

BC_3 覆盖的 NbB_2(0001) 表面上的扫描隧道显微镜研究

• 发表时间: 2006
• 期刊: Surface Science 600
• 作者: 上野明;柳沢啓史;大島忠平
• 通讯作者: 大島忠平

Metastable BC_3 Honeycomb Epitaxial Sheets on NbB_2(0001) Surface

NbB_2(0001)表面亚稳态BC_3蜂窝外延片

• 发表时间: 2006
• 期刊: Surface Science 600
• 作者: 柳沢啓史;大島忠平
• 通讯作者: 大島忠平