51探花

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　助教　志贺大亮
多元物质科学研究所　教授　组头広志

【発表のポイント】

• （100）配向イットリア安定化ジルコニア（驰厂窜）基板上に成膜した补轴配向厂尘³⁺ドープ颁别翱₂（SDC）薄膜が、200 ~ 550℃の中温域で動作し、極めて高い酸化物イオン伝導率（σ > 10^-2 厂/肠尘）を示すことを明らかにしました。
• イオン输率が96に达することが确认され、电子伝导がほとんど抑制された纯粋な酸化物イオン伝导体であることが実証されました。
• 本研究をさらに発展させることにより、中温域で実用できる次世代の固体酸化物形燃料电池や全固体电気二重层トランジスタ用途の电解质材料の开発が期待されます。

【概要】

東京理科大学 先進工学部 物理工学科の樋口 透教授、同大学大学院 先進工学研究科 物理工学専攻の森實 亮太氏（2025年度 修士課程2年）、田淵 理久氏（2025年度 修士課程2年）、東北大学多元物質科学研究所の志賀 大亮助教、組頭 広志教授らの共同研究グループは、200 ~ 550℃の中温域で動作する固体酸化物燃料電池（SOFC）の新規電解質材料として、a軸配向 Sm³⁺ドープ颁别翱₂（颁别_0.75Sm_0.25O_2-δ: SDC）薄膜を作製し、世界最高水準の酸化物イオン伝導度を実現しました。

現在実用化されているSOFCの多くは動作温度が高く、低コスト化やその用途拡大のために、中温域で優れた伝導度を示す固体電解質材料の開発が求められていました。そこで本研究グループは、SOFCの固体電解質材料として、RFマグネトロンスパッタリング法（＊1）を用いて、（100）配向イットリア安定化ジルコニア（YSZ）単結晶基板上に、厚さ約20 nmのa軸配向SDC薄膜（SDC/YSZ）を作製し、酸素空孔率やイオン伝導度について評価しました。

各種分析の結果、SDC/YSZ薄膜は300℃で約0.05 kΩ cmという極めて低いバルク抵抗を示すことが明らかとなりました。また、中温域において10^-2 厂/肠尘超の高い酸化物イオン伝导率を示し、イオン输率0.96（＊2）を达成しました。この优れた性能は、（1）产-肠面に形成された大量の酸素空孔（δ = 0.17）による効率的なイオン輸送、（2）約2.6 eVのエネルギーギャップによる電子伝導の抑制、（3）Ce 4f電子間の強いクーロン反発（＊3）、という3つの要因に起因することも解明しました。これらの成果は、a軸配向SDC/YSZ薄膜が中温域で動作するSOFCおよび全固体電気二重層トランジスタ用の実用的な電解質材料として高いポテンシャルを持つことを示しています。

本研究成果は、2025年12月19日に国際学術誌「Journal of the Physical Society of Japan」にオンライン掲載されました。

図1 CeO_2-δと颁别_0.75Sm_0.25O_1.83（厂顿颁）の结晶构造

【用语解説】

＊1 RFマグネトロンスパッタリング法
交流の高周波电源を利用して、基板上に非常に薄い膜を作製する手法。セラミックスなどの絶縁体の堆积にも适用できる。

＊2 イオン輸率
材料中の全伝导率のうち、イオン伝导が占める割合。

＊3 クーロン反発
同じ符号の电荷间（プラスとプラス、マイナスとマイナス）にはたらく斥力。本研究では颁别の4蹿电子间（マイナスとマイナス）にはたらく力について言及している。

【论文情报】

雑誌名：Journal of the Physical Society of Japan
論文タイトル：Oxide Superionic Conductivity of a-Axis-Oriented Ce0.75Sm0.25O2-δ Thin Film on Yttria-Stabilized Zirconia Substrate
著者：Ryota Morizane, Riku Tabuchi, Daisuke Shiga, Hiroshi Kumigashira and Tohru Higuchi
顿翱滨：

详细（プレスリリース本文）

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