熊本大ら、機能性材料の性質決定に不可欠な不純物の原子位置決定に成功

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熊本大学、高輝度光科学研究センター（JASRI）、広島市立大学、名古屋工業大学らによる共同研究グループは2017年12月28日、未来のコンピューター材料の一つとして期待されているトポロジカル絶縁体に含まれる不純物（添加物）の添加位置を決定することに成功したと発表した。

スマートフォンなど現代社会のテクノロジーを支える半導体、磁性体、電池材料などの高性能材料の開発には、原子レベルでの材料の構造の理解が有効とされている。また、多くの材料では、微量な異種元素を添加することで、その性能が引き出されることが非常に多く、添加元素が原子の構造に与える影響の理解が、性能向上にとって重要なことが分かっている。

今回はマンガン（Mn）を不純物として含むテルル化ビスマス（Bi₂Te₃）の、Mnの添加される位置の決定を行った。Bi₂Te₃は省エネルギーで高速な新しいコンピューター材料として注目されているトポロジカル絶縁体の一つだ。Bi₂Te₃自体は半導体であり絶縁体ではないが、Mnなどの遷移金属を添加するとトポロジカル絶縁体となる。

今回の実験では、トポロジカル絶縁体となるために、Mn不純物がBi₂Te₃のどこに存在しているのかを明らかにした。放射光X線を利用した「蛍光X線ホログラフィー（XFH）」と「X線吸収微細構造分光（XAFS）」を組み合わせることで、従来の回折実験では得られなかった不純物元素の原子位置を決定することに成功した。また、スパース・モデリングと呼ばれるデータ解析アルゴリズムを用いたことにより、通常の解析手法では得られなかった原子像を明瞭に再現できたという。

今後は、さまざまな機能性材料に含まれる不純物の役割を原子配列の面から解明できるようになることから、新規材料開発の新たな指針として期待できるとしている。

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