応用物理学研修A

• 層状化合物とは？

• ２次元的網目構造を形成するもの

層の間の結合力は弱いので、結合を破って原子等を入れやすい。層状化合物の層の間に原子・分子等が入り込む現象をインターカレーション（intercalation）という。

• 層間化合物…インターカレーションで得られた物質。
• ホスト（host）…インターカレーションされる物質。
• ゲスト（guest）…層間に入り込む物質。
• デインターカレーション（de-intercalation）…層に入り込んでいる物質が出ていって、もとに戻ってしまう現象。

• 層状物質　β―ZrNCl　β―HfNCl

Li（Naでも同様）をインターカレーションすると、それぞれ転移温度T_c＝１５Ｋ、２５．５Ｋの超伝導物質になる。

β―ZrNCl、β―HfNClの結晶構造

ホストはSmSI型の結晶構造。

Liをインターカレーションした後のホストの結晶構造はYOF構造となることが知られている。

β―ZrNCl、β―HfNClにおける

β―ZrNClにて

• Zr原子はN原子とCl原子に対して結合性軌道に全ての電子を供給し価電子帯を形成

• アルカリ金属から、主にZr原子からなる伝導帯に電子が供給される。

• β―ZrNClは伝導性を示し、超伝導転移を起こすようになる。

β-ZrNCl→T_c＝１５（Ｋ）

β-HfNCl→T_c＝２５．５（Ｋ）　　何故か？

結晶内で最近接となっている、異なる層間のZr-Zr距離とHf-Hf距離とでは、

Zr-Zr＜Hf-Hfとなっている。

• 距離とT_cの関わりはＢＣＳ理論で説明できる。

伝導バンドを作る元素間の距離は、原子軌道の重なり積分tに影響する。

t∝r_d³／d⁵

r_d…原子のd軌道の広がり

d…原子同士の距離

重なり積分tはフェルミ準位近傍の状態密度

D（ε_f）と逆比例している。

D（ε_f）∝t^-1

状態密度比…β-ZrNCl：β-HfNCl＝1：1.17

つまりバンドを作る元素間が離れると、フェルミ準位近傍の状態密度は増す。

T_c＝1.33θ_deｘｐ（−１／D（ε_f）V）

θ_d…デバイ温度

D（ε_f）…フェルミ面での状態密度

• β-ZrNClとβ-HfNClにおいてθ_dとＶを共通の値とすればD（ε_f）が増すとT_cは増加する。

• β-ZrNClと同型で、伝導バンドの状態密度D（ε_f）が大きい物質をインターカレーションすれば、T_cの高い超伝導体ができる。

ｄ<大>→ｔ<小>→D（ε_f）<大>→T_c<大>

• インターカレーションによる新しい物質の作成。

物質の構造　⇔　T_c