超高温高純度単結晶育成技術日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター芳賀芳範発表の内容 3000℃を超える超高温環境下での単結晶育成が可能。代用的な例として、 (1)水冷るつぼを使用したチョクラルスキー法 (2)フラックス法 (3)高蒸気圧物質を対象としたブリッジマン法 (4)気相成長法を紹介する。単結晶の必要性物質の基本特性の理解につながる。結晶構造電気伝導磁気特性力学特性など、物理量の本質的振る舞いを、異方性も含めて観測可能。基本的メカニズムの理解。単結晶育成：従来技術の一例シリコンウェハー育成温度（〜1400℃）石英るつぼ引き上げ法（チョクラルスキー法）種結晶結晶溶融原料時間 http://wikipedia.org 従来技術とその問題点研究開発における単結晶育成法：新材料の探索 → 様々な元素への対応が必要物質の数だけ育成方法の開発が必要物質固有のパラメータ融点、蒸気圧、溶解度、るつぼ材の選択 etc 活性元素の代表例ーU, Puなどのアクチノイド様々な物質への対応高融点物質の単結晶育成（例）UB4 : 融点〜2500℃ 大型単結晶を得るための条件 ◎コングルエントメルト ◎低い蒸気圧 △高融点 ×適当なるつぼ材がない http://crystdb.nims.go.jp チョクラルスキー法種結晶加熱電極（テトラアーク）試料水冷銅るつぼ単結晶テトラアーク炉加熱温度：〜2500℃ 引き上げ速度：〜10 mm/h 単結晶とその評価（X線回折）結晶サイズ：最大φ 10 mm x 150 mm 程度まで育成可能単結晶X線回折による評価黒い点が結晶からの回折構造パラメータ、方位の決定フラックス法 URhGa5 様々な手法による単結晶育成超高真空アニールフラックス法気相成長法 6/18 ブリッジマン法 UFe4 P12 金属るつぼ高純度の追求なぜ高純度を目指すか？大きな不純物効果（例：半導体、磁性不純物）超伝導特性の改善原料の問題一般に、希土類元素、アクチノイド元素では、高純度原料の入手が困難金属ウランの精製法超高真空エレクトロトランスポート法直流電流で材料を直接加熱することにより脱ガス、拡散、固相電解ウランの精製超高真空エレクトロトランスポート不純物濃度（ppm）ウランの精製超高真空エレクトロトランスポート精製前陽極陰極超高真空（10-10 Torr）での加熱直流電流加熱により： (1) 温度勾配による拡散 (2) 揮発性不純物の蒸発 (3) 電場による移動 Fe : 40 ppm → 1 ppm 単結晶の評価手段 EDX/EPMA : 組成比、不純物粉末XRD : 格子定数、組成比、不純物単結晶XRD : 格子定数、組成比、不純物、原子座標、熱振動電気抵抗 : 絶対零度での残留抵抗→不純物による散乱磁化 : 磁性不純物の高感度検出単結晶の評価（X線回折） 2次元検出器 2θ 管球 2θ 単結晶試料〜0.05 mm 最近の成果純良化の効果不純物減少不純物による電子の散乱減少超伝導転移温度の上昇本質的な散乱の検出 → メカニズム解明へ電気抵抗ウラン化合物超伝導体：URu2Si2 「重い」伝導電子が担う特異な超伝導特性（未知のメカニズム）温度(K) まとめ高融点への対応水冷るつぼを用いてチョクラルスキー法試料との反応を回避金属タングステン（3300℃）も可能金属溶媒によるフラックス法（低温での結晶成長）ブリッジマン法（高蒸気圧物質への対応）化学気相成長高純度化への対応超高真空エレクトロトランスポート想定される用途物質探索、材料探索精密な結晶構造決定電気伝導、磁気特性の異方性高純度化による特性の改善想定される分野エレクトロニクス材料磁性材料超伝導材料弾性材料熱電材料企業への期待種々材料の開発には単結晶による物性の測定評価が重要ＪＡＥＡは高度のノウハウが必要な超高温単結晶育成技術を有しているこの技術を共同研究により企業の新材料の開発に生かしていただきたい。お問い合わせ先独立行政法人日本原子力研究開発機構研究連携成果展開部 TEL : 029-282-6934 Email : [email protected]