大型放射光施設 SPring-8

公開日

2024年10月21日

2024年10月21日
北海道大学
広島大学
高輝度光科学研究センター
京都大学
産業技術総合研究所

・第一原理計算による大規模構造予測を用いて多元系セシウム塩化物を探索。
・放射光X線回折による高速スクリーニングにより新規セシウム塩化物の合成に成功。
・計算と実験の融合で新材料探索の加速に期待。

超伝導体や次世代二次電池といった革新的な技術につながる機能性材料の発見は、ますます重要になっていますが、複雑な組成を持つ新規物質は組成の自由度が高く、網羅的な探索は困難です。近年、人工知能（AI）を用いた大規模な密度汎関数理論（DFT）^*1では、数千の安定な化合物が予測されており、広範な材料探索空間が提唱されています。研究グループは、これらの計算による予測を用いることで、合成実験の前にコンピューターでターゲットに合理的に優先順位を付け、合成中の相変化を、高速温度変化計測を行える「その場測定」で明らかにすることで、新材料の探索の加速ができると考えました。

本研究では、半導体及び蛍光材料として盛んに研究されている新規多元系セシウム（元素記号はCs）塩化物（塩素の元素記号はCl）をターゲットとして新規化合物の発見を目指し、一般式 Cs_xAMCl₆（x=2または3、AとMには異なる金属）を持つ、未報告または十分に調査されていない化合物を効率的に探索しました。
最初に、絶対零度^*2での第一原理計算による既知及び未知化合物の大規模安定性の評価と、結晶構造データベース及び文献調査によって、報告されていないもしくは結晶構造が十分明らかになっていない化合物のリストを作成しました。このアプローチにより、合成ターゲットの範囲を大幅に絞り込むことが可能になります。
次に、塩化物前駆体の安定性と入手可能性を考慮し、高温での塩化物前駆体間の固相反応を行います。固相反応の過程を、高速温度変化計測可能な大型放射光施設SPring-8^*3のBL13XUにおける放射光XRDによって明らかにしました。
最後に、AサイトとMサイトの部分的な占有を仮定し、X線回析と中性子回析、電子回折を用いて解析し、Cs₂LiCrCl₆及びCs₂LiRuCl₆の新規多形^*4とCs₂LiIrCl₆の発見に成功しました（図1）。

本研究は、最先端の計算科学と大規模施設での合成及び反応解析を組み合わせることで、新規材料探索のフレームワークを提案しています。本研究は、セシウム塩化物のみならず他の材料系に展開可能であり、将来的には温度や圧力、合成反応、材料特性といった知見を組み合わせることで、新材料探索を加速させることが期待できます。

本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金（JP20KK0124）、科学技術振興機構（JST）さきがけ（JPMJPR21Q8）の支援を受けて行われました。

【用語解説】