軽元素修飾した量子かごの特性評価と高容量二次電池用環境エネルギー材料の設計プラットホームの構築

轻元素修饰量子笼特性评价及高容量二次电池环保能源材料设计平台构建

基本信息

批准号：
01F00227
负责人：
森永正彦
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2003
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-01F00227/
关键词：
ZnO ドーパント水素電気伝導量子かご Er Photoluminescence

项目摘要

新しい二次電池を開発するためには、水素のような軽元素が自由に出入りする「量子かご」の性質を理解することが必要である。本研究では、ZnOを対象物質に選びに、水素およびドーパントによる電気伝導度の変化を実験と計算により調べた。本研究では、純ZnO、およびドーパントとしてLi、Al、Mn、Co、Cuをそれぞれ添加した粉末試料を作製した。焼結後、薄い板状試料を作り、それに水素イオンを注入した。水素イオン注入前後の水素量を反跳原子検出法(ERD)によって測定した。また注入前後の直流電気抵抗も測定した。水素イオン注入によってZnO試料の電気伝導度が向上し、純ZnO試料において電気伝導度は5×10^<-2>Ω^<-1>cm^<-1>から3.5×10^2Ω^<-1>cm^<-1>となった。このように、水素はドナー元素として有効に働いている。水素注入層の伝導度は、Cuをドープした場合、約9桁向上した。これらの結果から、水素とドーパントの相互作用を考慮することにより、ZnOの粒界・粒内の電気伝導度を制御することができることがわかった。さらに、DV-Xα分子軌道法および擬ポテンシャル法によって、ZnO電気伝導性に及ばす不純物と水素の効果について理論的に明らかにした。また、近年光通信で利用される1.5μm帯の発光特性を示すErの新たなホスト材料として、ZnOが注目されている。本研究では、はじめに添加量の異なる焼結体ZnOを作製、PL測定を行った。次に熱処理条件の影響を調べるため、焼結温度、冷却条件を変化させた試料を作り、PL測定を行った。1.5μm帯の発光強度が最も強い条件はEr添加量約2.6%、焼結温度1350℃から空冷である。本研究から、ZnO中のEr発光中心は、ZnOの粒界に存在し、周りの酸素イオン配列がEr_2O_3に似たEr-O_6でないかと考えられる。以上のように、ZnOの中の「量子かご」の特異性を示すことができた。

为了开发新型二次电池，有必要了解氢等轻元素可以自由进出的“量子笼”的特性。在本研究中，我们选择ZnO作为目标材料，通过实验和计算研究了氢和掺杂剂引起的电导率的变化。在这项研究中，我们制备了含有纯 ZnO 和作为掺杂剂添加的 Li、Al、Mn、Co 和 Cu 的粉末样品。烧结后，制成薄板状样品，并将氢离子注入其中。通过反冲原子检测(ERD)测量氢离子注入之前和之后的氢量。还测量了注入之前和之后的直流电阻。氢离子注入提高了ZnO样品的电导率，纯ZnO样品的电导率从5×10^<-2>Ω^<-1>cm^<-1>增加到3.5×10^2Ω^ <-1>厘米^<-1>。通过这种方式，氢有效地充当供体元素。当掺杂Cu时，氢注入层的电导率提高了约9个数量级。这些结果表明，通过考虑氢和掺杂剂之间的相互作用，可以控制 ZnO 晶界和晶粒内的电导率。此外，利用DV-Xα分子轨道法和赝势法从理论上阐明了杂质和氢对ZnO电导率的影响。此外，ZnO作为Er的新型主体材料最近引起了人们的关注，它在1.5μm波段表现出发射特性，并用于光通信。在本研究中，我们首先制备了不同添加量的烧结ZnO并进行了PL测量。接下来，为了研究热处理条件的影响，在不同的烧结温度和冷却条件下制作样品，并进行PL测量。在1.5μm波段给出最强发射强度的条件是Er添加量约2.6%、烧结温度1350℃和空气冷却。研究认为，ZnO中的Er发射中心存在于ZnO晶界处，周围的氧离子排列为Er-O_6，与Er_2O_3类似。如上所述，我们能够证明 ZnO 中“量子笼”的独特性。