NIMSと愛媛大、超伝導ダイヤモンドを利用した高圧発生装置を開発

 

物質・材料研究機構(NIMS)と愛媛大学は2月22日、超伝導ダイヤモンドを使った新高圧発生装置を開発したと発表した。

同成果は、NIMS 環境・エネルギー材料部門 ナノフロンティア材料グループ高野義彦グループリーダー、愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター 入舩徹男センター長らの研究グループによるもので、2月23日に愛媛大学で行われる「PRIUSシンポジウム」にて発表される。

純粋なダイヤモンドは、電気の流れない透明な絶縁体だが、ホウ素を少量ドープすることでブルーになり、わずかに電気を流す半導体となる。さらにホウ素濃度を高くしていくと、ブラックダイヤモンドとなり、金属のように電気を流すようになる。この金属ダイヤモンドは、低温で超伝導を示し、ゼロ抵抗状態にもなることが、これまでに同研究グループによって発見されていた。

今回同研究グループは、この超伝導ダイヤモンドを電極として用いることにより、新しいダイヤモンドアンビルセル高圧発生装置を開発した。同装置は、ダイヤモンドアンビルの圧力発生面に、超伝導ダイヤモンド薄膜の電極を微細加工したもので、サンプルを電極上に置き加圧するだけの簡単な操作で高圧下電気抵抗測定が可能となる。

一般的なダイヤモンドアンビルセルは、対向する2つのダイヤモンドの裏面のとがったキュレット面を押しつけて高圧力を発生させる装置で、数十万気圧の超高圧を発生させるためには、直径400ミクロン程度の小さなキュレットを用いる。このため、サンプルの大きさは100ミクロン以下となり、作業は非常に難しいものとなる。

そこで同研究グループは、超伝導ダイヤモンド電極を電子線リソグラフィー法によりアンビル上に微細加工することに着目。平板状のダイヤモンドとキュレットを備えたダイヤモンドを組み合わせ、新しい形状のダイヤモンドアンビルセルを考案した。また、入舩センター長らの開発したナノ多結晶ダイヤモンド「ヒメダイヤ」をダイヤモンドアンビルセルの基板となるダイヤモンドとして使用することにより、より高い圧力をより大きな試料面積で実現できるように設計されている。

同ダイヤモンドアンビルセルでは、これまでの試験で数十万気圧の加圧を数回繰り返しても電極はいっさい劣化せず、サンプルを入れ替えるだけで繰り返し超高圧電気抵抗測定が可能であることが確認されている。

今回の成果により、超高圧下電気抵抗測定が容易になり、新材料の研究開発がより幅広く迅速に行えるようになることが期待される。

ダイヤモンドアンビルの構造。新しいダイヤモンドアンビルセルは、下側アンビルにヒメダイヤを用い、その上に超伝導ダイヤモンドで電極を加工している。従来型は2つのとがったキュレット部分を押し当て圧力を発生させるものだが、電極は別途キュレットとガスケットの間に差し込む必要があった



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