image: The three-fold symmetry indicated here reveals the spinel crystal structure. view more
Credit: Taro Hitosugi (source Nature Communications)
東北大学材料科学高等研究所（AIMR）の岡田佳憲助教と一杉太郎連携教授 (東京工業大学物質理工学院教授)、東京大学の安藤康伸助教（現 産業技術総合研究所研究員）、渡邉聡教授らのグループは、超伝導材料や電池材料として知られているスピネル型酸化物LiTi2O4の表面について、その原子配列と電子状態を解明することに成功しました。
LiTi2O4は興味深い物質として知られています。スピネル構造の金属酸化物(*1)としては唯一の超伝導体で、比較的高い超伝導転移温度を示します（超伝導転移温度 13 ケルビン(マイナス260℃)）。しかし、原子レベルで平坦な試料を作ることが難しく、表面における超伝導状態は、原子スケール分解能では調べられていませんでした。また、この物質は、リチウムイオン電池材料の候補としても知られています。リチウムイオン電池では、充放電の際に、リチウムイオンが電極表面を必ず通過します。したがって、電極表面の原子配列が、電池性能に極めて大きな影響を与えます。しかし、金属酸化物電極表面の原子配列は未解明で、さらなる性能向上に向けて、原子レベルでの理解が必要です。そこで本研究グループは高品質なLiTi2O4薄膜を作製し、走査型トンネル顕微鏡(STM) (*2)を用いて表面の原子配列を調べ、コンピュータシミュレーション結果と比較しました。その結果、最表面にチタン原子が周期的に並んでいることや、表面の超伝導性が固体内部とは異なっていることを明らかにしました。以上、三つの元素からなるスピネル構造について、原子像観察、構造決定、そして、電子状態評価にはじめて成功しました。このような研究から、超伝導現象の起源や、電解質との界面がどのように形成されているのか理解が深まり、新超伝導体開発やリチウムイオン電池特性向上へつながることが期待されます。
本研究成果は、平成29年7月3日（月）18時（日本時間）に、米科学誌「Nature Communications」オンライン版に掲載されます。
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Journal
Nature Communications