ペロブスカイト構造

ペロブスカイト構造の概要

ペロブスカイト構造（またはペロフスカイト構造）は、特定の結晶構造を持つ材料の一種です。この構造は、ペロブスカイトと同種の結晶構造を指し、特に遷移金属酸化物に多く見られます。特に、チタン酸バリウム（BaTiO3）等がこの構造の代表的な例です。

構造特性

ペロブスカイト構造は、立方晶系を基本としています。その単位格子の各頂点には金属Rが配置され、体心には金属Mが存在し、酸素原子(O)は立方晶の面心に位置しています。この八面体構造は、金属Mと酸素の間に形成されます。

この構造の大きな特徴は、酸素と金属Mから構成されるMO6八面体の歪みです。この歪みは金属Rとの相互作用によって引き起こされ、対称性の低い直方晶や正方晶に相転移します。このため、物性が著しく変化し、例えばモット転移が起こるなどの現象が見られます。具体的には、金属Mサイトの価電子がバンドとして拡がったり、スピン間の相互作用により反強磁性秩序が崩れることで、常磁性に転移することがあります。

また、金属Rのイオン半径の増加や不純物の導入により、さらにこの歪みを制御できます。

地球内部における役割

ペロブスカイト構造は、地球のマントル内でも重要な役割を果たしています。特に、MgSiO3は、地下660kmから2700kmの範囲でペロブスカイト構造を形成していると考えられています。この鉱物が125GPaで2500Kの条件下にあると、より高密度のポストペロブスカイト構造に相転移します。

超伝導体としての利用

酸化物高温超伝導体であるYBa2Cu3O7-δやBi2Sr2Ca2Cu3O10など、ペロブスカイト構造は超伝導体の技術的基盤ともなっています。これらの超伝導体は、特にその構造が2次元的な電気伝導を可能にし、高温超伝導を実現するのに寄与しています。

応用例

太陽電池

近年、ペロブスカイト太陽電池の開発が進展し、光エネルギーを電気に変換する効率が著しく向上しています。2009年にはCH3NH3PbI3を使用した際の効率がわずか3.9%でしたが、2016年には最大21.0%に達し、従来のシリコン太陽電池に匹敵する成果を上げています。

白金族金属のリサイクル

白金族金属はその産出量が限られているため、リサイクルが重要です。ペロブスカイト型酸化物を利用して、白金族金属元素の回収を目指す研究が行われています。これにより、従来の方法よりも効率的に再利用が促進されることが期待されています。

まとめ

ペロブスカイト構造は、その多様な性質と応用可能性から、材料科学やエネルギー技術の分野で非常に注目されています。今後の研究と開発がますます期待される領域です。

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