三セレン化ニオブ

三セレン化ニオブ（NbSe3）とは

三セレン化ニオブ（NbSe3）は、遷移金属トリカルコゲン化物に分類される無機化合物です。この物質は、その特異な性質、特に電荷密度波（CDW）現象を示すことで、科学的な関心を集めています。

NbSe3は化学式で表されるように、ニオブ（Nb）とセレン（Se）が1:3の比率で結合した化合物です。この化合物は、一次元的な特性を示す最初の例として報告され、その後の量子力学の研究や実証において、準一次元的な電荷密度波のモデル系としての地位を確立しました。

構造の特徴

NbSe3は、その構造において高い異方性を示すことが特徴です。ニオブイオン（Nb4+）は、6つのセレンリガンドによって形成される三角柱の中心に位置しています。これらのセレン原子のうち2対はポリセレン化物（Se2−2）を形成し、残りの2つは単原子のセレンイオン（Se2−）として存在します。

NbSe6三角柱は、無限に伸びる平行鎖を形成します。これらの三角柱は同じ配位を共有していますが、単位セルは3種類の鎖が2回繰り返される構造を持っています。各鎖は、セレン-セレン（Se-Se）結合の長さによって区別され、その長さはそれぞれ2.37、2.48、2.91オングストロームです。この構造が、NbSe3の特異な一次元的特性を生み出す要因となっています。

合成方法

NbSe3は、ニオブとセレンを高温で反応させることで合成されます。具体的には、ニオブとセレンを600〜700℃で加熱する固相反応により、以下の化学反応によって生成されます。


Nb + 3 Se → NbSe3


生成されたNbSe3の黒色結晶には、不純物として二セレン化ニオブ（NbSe2）が含まれることがあります。このため、650〜700℃での化学蒸気輸送（CVT）法を用いて精製が行われることがあります。CVTの下限温度は、NbSe2が安定でなくなる温度によって決定されます。

物理的特性

NbSe3は、その物理的特性においても特筆すべき点が多く存在します。電気抵抗率の温度依存性においては、多くの金属化合物とは異なり、温度低下とともに抵抗率が低下するだけでなく、145K（-128℃）と59K（-214℃）で2つの極大値を示すという異常な挙動を示します。これらの極大値では、電気伝導率が急激に減少します。

この現象は、フェルミ面にギャップを生じさせる電荷密度波（CDW）の形成によって説明されます。このギャップの形成により、一次元的な系は金属的な性質を失い、半導体に近い挙動を示すようになります。この遷移は一般にパイエルス転移として知られています。しかし、NbSe3はパイエルス転移を起こしても金属的な性質を完全に失うわけではありません。これは、電荷密度波の形成によってフェルミ面が完全に除去されないためであり、この現象は不完全なフェルミ面ネスティングと呼ばれます。

また、ナノファイバーの形態では、NbSe3は2K（-271℃）未満で超伝導を示すことが確認されています。

さらに、NbSe3は、その繊維状構造、高い電気伝導率、室温での高い重量および体積エネルギー密度により、充電式リチウム電池の正極材料としての応用が検討されています。

研究における意義

NbSe3は、電荷密度波輸送、CDWピンニング、磁性、シュブニコフ=デ・ハス振動、アハロノフ=ボーム効果など、様々な物理現象の研究において重要な証拠を提供してきました。これらの研究を通じて、NbSe3は量子力学の基礎研究において、一次元系のモデル物質として重要な役割を果たしています。

もう一度検索