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光照射による結晶中の酸素移動とその直接観測に初成功

September, 7, 2021, 筑波--物質に光を照射し、結晶中の電子の動きやすさ(電気の流れやすさ)などを自由に変化させる現象の報告は、これまで数多くあった。しかし、電子より重いイオンでの報告は少なく、特に電子より1万倍以上も重い酸化物イオン(酸素の陰イオン)の物質中での移動の報告はなかった。

 研究では、特殊なセラミックス材料に光照射することで、酸化物イオンを室温下で瞬間的(1兆分の1秒以下の時間スケール)に移動させることに成功し、その様子を世界で初めて直接的に確認した。

 1兆分の1秒の時間分解能で固体物質中の原子や分子の運動を直接的に観察できる超高速時間分解電子線回折法と、10兆分の1秒の時間分解能で固体物質中の電子の運動を観測できる超高速過渡反射率法、光照射の影響を取り入れた密度汎関数理論計算(量子力学を基本法則にして、物質のさまざまな性質を求める計算手法)を組み合わせることによって実現した研究成果。

 燃料電池では、その電極中や電解質中に酸素や水素のイオン(あるいは分子)を導入し、化学反応させることによって電気や熱を得ることができる。通常の燃料電池では、酸素や水素を電極中で運動させるために高温にする必要があった。この研究で示された、室温下の光照射によって生じる酸化物イオンの運動は、全く新しい原理に基づく酸化物イオンの駆動方式。さらに研究が進むことで、光を用いた燃料電池や二次電池などの開発に新しい展開をもたらすと期待される。

論文
Photoinduced oxygen transport in cobalt double-perovskite crystal EuBaCo2O5.39
Applied Materials Today

(詳細は、https://www.tsukuba.ac.jp/)