神戸高志

新有機超伝導体の開発
岡山大学大学院自然科学研究科（理学部物理学科）
准教授神戸高志
岡山大学大学院自然科学研究科（界面科学研究施設）
教授久保園芳博
1
研究背景
有機半導体を用いたエレクトロニクスの著しい進展
有機電界発光素子(EL)、
電界効果トランジスタ(FET)、太陽電池など
炭素材料、有機材料を中心とする軽元素材料は、
元素戦略（レアメタルフリー）の基幹に位置する材料
多種多様な電子材料への応用が期待できる
有機半導体や有機金属・超伝導体、あるいはフラーレン、カーボ
ンナノチューブ、グラフェンなどナノ炭素材料の電子物性研究は
極めて重要である
2
π-電子ネットワーク物質における超伝導体
Graphite intercalation compounds
Tc = 0.14 K
PRL 14, 225 (1965)
KC8
CaC6
Tc = 11.5 K
PRL 14, 225 (2005)
Organic superconductor
κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Cl Tc = 12.8 K
β -(BEDT-TTF)2ICl2
PRB 44, 4666 (1991)
Tc = 14.2 K (82 kbar)
JPSJ 72, 468 (2003)
C60 superconductor
RbCs2C60
Cs3C60
Tc = 33 K Nature 352, 222(1991).
Tc = 40 K (15 kbar)
Solid State Commun. 93, 327 (1995).
Nature Mat. 367, (2008), Science 323, 2585 (2009)
• 新たな高温有機超伝導体は、過去１０年間見つかっていない.
3
炭素系πネットワーク物質における超伝導
−
ダイヤモンド、フラーレン、グラファイト、ナノチューブ −
• ダイヤモンド
2004年ホウ素ドープ Tc∼4K
• フラーレン
ダイヤモンド
フラーレン（C６０）
1991年 RbCs2C60 Tc∼33K
2009年 Cs3C60
Tc∼40K（圧力）
• グラファイト
2005年 CaC6 Tc∼11.5K
グラファイト
学術的な話題を提供
ナノデバイスへの進展
ナノチューブ
• ナノチューブ
2001年 Tc＜1K
統一的な理解は得られていない
炭素系材料の研究展開の重要性
4
芳香族炭化水素ピセン
グラフェンシートを切り取った構造
ピセン
ピセン
有機トランジスタ材料で
使用されるペンタセンと
同数（５個）のベンゼン環
ペンタセン
グラフェン
結晶構造は２次元層状構造
a-b面のレイヤー
がc軸方向に積層c
5
芳香族炭化水素ピセン
ピセンとは、
芳香族多環縮合炭化水素の一種
泥炭・原油などを蒸留したときにでるピッチ中に存在
ピセンはワイドギャップ半導体
ピセン
ペンタセン
1.8 eV
ペンタセンなどのアセン系列よりも
安定な電子構造
空気中でも安定
3.3 eV
良い電界効果トランジスタ特性
ガスセンシング効果
6
芳香族炭化水素初の超伝導体
ピセンへのアルカリ金属原子のドーピングにより、
超伝導転移温度18 K（マイナス255℃）
の新しい有機超伝導物質を発見
この超伝導転移温度は有機物超伝導体
としては世界最高の温度
7
芳香族炭化水素初の超伝導体
ピセン
ありふれた化合物
コールタール
超伝導体の塊？
日本経済新聞
8
酸化
物
新芳香族超伝導体の転移温度の位置づけ
Tc (K)
鉄系
有機化
合物
ピセン
year
201
0
ピセン超伝導体の超伝導転移温度は有機物
超伝導体としては世界最高の温度
9
アルカリ金属原子（K、Rb）、アルカリ土類金属
原子（Ca）ドープ新ピセン超伝導体
Tc
Tc
Tc において磁化の急激な
減少が観測される
Tc
Tc
超伝導体 K3ピセン
Tc~7.1K , 18K
超伝導体 Rb3ピセン
Tc~6.9K
超伝導体 Ca1.5ピセン
Tc~7.1K
ピセン超伝導体の磁化率の温度依存性
10
アルカリ金属原子 K ドープピセン超伝導体の
温度磁場相図
20 K K3ピセン超伝導体
下部臨界磁場
Hc1 = ~ 400 Oe
上部臨界磁場
Hc2 = ~ 104 Oe
Hc1 – T 曲線
Hc2 – T 曲線
11
ピセン超伝導体の磁気特性
金属原子
超伝導転移温度
(K)
超伝導
フラクション (%)
下部臨界磁場
(Oe)
上部臨界磁場
(Oe)
K
7.1
20
15
1.1
(pellet)
(pellet)
300
400
>10000 >10000
Rb
Ca
7
7.1
10 1.2 80
150
1000
1000∼10000
コヒーレンス長 (Å)
180
180
570
180∼570
磁場侵入長 (Å)
950
770
1300
1000∼1600
320
150
結晶粒径 (Å)
135
12
ピセン超伝導体の材料としての特徴
• 芳香族炭化水素の一種
• 軽元素材料（炭素、水素のみ）で希少金属は含まない、レ
アメタルフリー
• ありふれた材料
• 有毒性の元素を一切含まない低環境負荷材料
• 有機化合物の中で最も高く、金属間化合物Nb3Snに匹
敵する超伝導転移温度
• 構造柔軟性
芳香族炭化水素分子は
多様で拡張性の高い構造
新芳香族炭化水素超伝導体の開発
13
従来の超伝導材料との比較
従来
新材料
•コスト
•芳香族炭化水素はありふれた
材料
•希少金属
•軽元素材料（炭素、水素のみ）
•環境負荷が大きい
•有毒性の元素を一切含まない
レアメタルフリー（カリウムは人
体に多く含まれる）
14
想定される用途と業界
• 有機物特有な軽量かつフレキシブル、
• 塗布も可能であり、コーティングにより超伝導材料を何らかの基
板上に貼って使用できる。線材やシート／テープ化。
• 超伝導フレキシブルワイヤ・テープ
• SQUID超伝導デバイスのワイヤ等のフレキ
ブル性が要求される部分のワイヤとして使える。
• 脳内に入れ込むSQUIDセンサのワイヤ
電機メーカー
線材メーカー
医療機器メーカー（生体用超伝導デバイスーＳＱＵＩＤセンサー）
化学メーカー（新規な超伝導材料として売っていくため）−すでに東京化成が
piceneを販売中。
15
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：有機物超伝導体及びその
製造方法
• 公開番号：特開2010-231894号
• 出願人
：岡山大学
• 発明者
：久保園芳博、神戸高志、
岡本秀毅、池田直
16
お問い合わせ先
● 技術内容に関するお問い合わせ
岡山大学知財プロデューサー
氏名：平野芳彦
連絡先：０８６−２５１−８９６１
E-mail ： [email protected]
岡山大学産学官連携プロデューサー
氏名：遠藤隆
連絡先：０８６−２５１−７１５１
E-mail ： [email protected]
● 特許に関するお問い合わせ
岡山ＴＬＯ特許流通アドバイザー
氏名：上田文明
連絡先：０８６−２８６−９７１１
E-mail ： [email protected]
17

Download Report