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東工大、カルシウムと窒素からなる高伝導性の新電子化物を発見

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東工大、カルシウムと窒素からなる高伝導性の新電子化物を発見

東京工業大学フロンティア研究機構の細野秀雄教授らは、化学式「Ca2N」を持つ層状構造化合物が、新しいタイプのエレクトライド(電子化物)であることを発見した。

同物質は、カルシウムと窒素というありふれた元素の化合物。試料全体が2次元電子ガスの結晶と見なすことができ、電子が極めてスムーズに動くため、金属カルシウムより高い電気伝導性を持つのが特長。今回発見された化合物も、同教授らが発見したC12A7エレクトライドのようにユニークな物性を有するため、高伝導性が必要な電極や触媒など、いろいろな応用が期待される。

一般に結晶は「陽イオン」と「陰イオン」からなる。エレクトライドは「陰イオン」の役割を担う物質。同大は、最大の課題だった室温以上・大気中でも安定なエレクトライドを2003年に「C12A7(12CaO・7Al2O3)」を用いて実現し、以降、電子放出源、アンモニア合成触媒などへの応用を報告してきた。

しかし、エレクトライドは、電子が存在する場所がケージ(0次元)構造に限られていたため、同大はコンセプトを拡張し、電子が2次元の隙間に存在する物質を探索していた。その際「Ca2N」に注目。同物質は試料に問題が多く、固有の物性を評価ができておらず、エレクトライドとして認識されることはなかった。

今回、同大は、その結晶構造から、これが[Ca2N]+で構成される層同士を層間に存在する電子が結び付けているエレクトライドではないかと考え、研究を進めた。合成法の工夫によって高純度な試料を合成し、単結晶の作製にも成功。これを使って、電子・磁気・光学物性測定の測定を行い、その結果と理論計算から、すべての電子「(e-)」が層間に存在し[Ca2N]+・e-という示性式で示される2次元のエレクトライドであることを発見した。

【参考】
東京工業大学 - 研究最前線「2次元性エレクトライドを発見」

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