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新有機超伝導体の開発
岡山大学 大学院自然科学研究科（理学部物理学科）
准教授 神戸高志
岡山大学 大学院自然科学研究科（界面科学研究施設）
教授 久保園芳博
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研究背景
炭素材料、有機材料を中心とする軽元素材料は、元素戦略（レアメタルフリー）の基幹に位置する材料
有機半導体や有機金属・超伝導体、あるいはフラーレン、カーボンナノチ ューブ、グラフェンなどナノ炭素材料の電子物性研究は
極めて重要である
有機半導体を用いたエレクトロニクスの著しい進展
有機電界発光素子(EL)、電界効果トラ ンジスタ(FET)、太陽電池など
多種多様な電子材料への応用が期待できる
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Graphite intercalation compoundsKC8 Tc = 0.14 K PRL 14, 225 (1965) CaC6 Tc = 11.5 K PRL 14, 225 (2005)
Organic superconductorκ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Cl Tc = 12.8 K
PRB 44, 4666 (1991)β’-(BEDT-TTF)2ICl2 Tc = 14.2 K (82 kbar)
JPSJ 72, 468 (2003)C60 superconductor
RbCs2C60 Tc = 33 K Nature 352, 222(1991).Cs3C60 Tc = 40 K (15 kbar)
Solid State Commun. 93, 327 (1995).Nature Mat. 367, (2008), Science 323, 2585 (2009)
• 新たな 高温有機超伝導体は、過去１０年間見つかっていない.
π-電子 ネットワーク物質における超伝導体
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炭素系πネットワーク物質における超伝導－ ダイヤモンド、フラーレン、グラファイト、ナノチューブ －
ダイヤモンド フラーレン（C６０）
グラファイト ナノチューブ
• ダイヤモンド2004年 ホウ素ドープ Tc～4K
• フラーレン1991年 RbCs2C60 Tc～33K2009年 Cs3C60
Tc～40K（圧力）
• グラファイト2005年 CaC6 Tc～11.5K
• ナノチューブ2001年 Tc＜1K統一的な理解は得られていない
学術的な話題を提供ナノデバイスへの進展 炭素系材料の研究展開の重要性
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ピセン有機トランジスタ材料で使用されるペンタセンと同数（５個）のベンゼン環
グラフェンシートを切り取った構造
芳香族炭化水素ピセン
結晶構造は２次元層状構造
ピセン
ペンタセングラフェン
a-b面のレイヤーがc軸方向に積層c
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芳香族炭化水素ピセン
ペンタセン
1.8 eV 3.3 eV
ピセン
ピセンはワイドギャップ半導体ペンタセンなどのアセン系列よりも安定な電子構造
空気中でも安定
良い電界効果トランジスタ特性ガスセンシング効果
ピセンとは、芳香族多環縮合炭化水素の一種泥炭・原油などを蒸留したときにでるピッチ中に存在
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芳香族炭化水素初の超伝導体
ピセンへのアルカリ金属原子のドーピングにより、超伝導転移温度18 K（マイナス255℃）の新しい有機超伝導物質を発見
この超伝導転移温度は有機物超伝導体としては世界最高の温度
8日本経済新聞
ピセン
芳香族炭化水素初の超伝導体
ありふれた化合物
コールタール超伝導体の塊？
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Tc (K)
year有機化合物
酸化物
鉄系
2010
ピセン
新芳香族超伝導体の転移温度の位置づけ
ピセン超伝導体の超伝導転移温度は有機物超伝導体としては世界最高の温度
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アルカリ金属原子（K、Rb）、アルカリ土類金属原子（Ca） ドープ 新ピセン超伝導体
ピセン超伝導体の磁化率の温度依存性
Tc において磁化の急激な減少が観測される
超伝導体 K3ピセンTc~7.1K , 18K
超伝導体 Rb3ピセンTc~6.9K
超伝導体 Ca1.5ピセンTc~7.1K
Tc Tc
Tc Tc
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アルカリ金属原子 K ドープ ピセン超伝導体の温度磁場相図
Hc1 – T曲線
20 K K3ピセン超伝導体20 K K3ピセン超伝導体
Hc2 – T曲線
下部臨界磁場Hc1 = ~ 400 Oe
上部臨界磁場Hc2 = ~ 104 Oe
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金属原子 K Rb Ca
超伝導転移温度(K)
7.1 20 7 7.1
超伝導フラクション (%)
15(pellet)
1.1(pellet)
10 1.2
下部臨界磁場(Oe)
300 400 80 150
上部臨界磁場(Oe)
>10000 >10000 1000 1000～10000
コヒーレンス長 (Å) 180 180 570 180～570
磁場侵入長 (Å) 950 770 1300 1000～1600
結晶粒径 (Å) 135 320 150
ピセン超伝導体の磁気特性
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ピセン超伝導体の材料としての特徴
• 芳香族炭化水素の一種• 軽元素材料（炭素、水素のみ）で希少金属は含まない、レアメタルフリー
• ありふれた材料• 有毒性の元素を一切含まない低環境負荷材料• 有機化合物の中で最も高く、金属間化合物Nb3Snに匹敵する超伝導転移温度
• 構造柔軟性
芳香族炭化水素分子は多様で拡張性の高い構造
新芳香族炭化水素超伝導体の開発
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•コスト
•希少金属
•環境負荷が大きい
従来の超伝導材料との比較
•芳香族炭化水素はありふれた材料
•軽元素材料（炭素、水素のみ）
•有毒性の元素を一切含まないレアメタルフリー（カリウムは人体に多く含まれる）
従来 新材料
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想定される用途と業界• 有機物特有な軽量かつフレキシブル、• 塗布も可能であり、コーティングにより超伝導材料を何らかの基板上に貼って使用できる。線材やシート／テープ化。
• 超伝導フレキシブルワイヤ・テープ• SQUID超伝導デバイスのワイヤ等のフレキブル性が要求される部分のワイヤとして使える。• 脳内に入れ込むSQUIDセンサのワイヤ
電機メーカー線材メーカー医療機器メーカー（生体用超伝導デバイスーＳＱＵＩＤセンサー）化学メーカー（新規な超伝導材料として売っていくため）－すでに東京化成がpiceneを販売中。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：有機物超伝導体及びその製造方法
• 公開番号 ：特開2010-231894号• 出願人 ：岡山大学
• 発明者 ：久保園芳博、神戸高志、
岡本秀毅、池田直
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お問い合わせ先
● 技術内容に関するお問い合わせ岡山大学 知財プロデューサー氏名 ：平野 芳彦連絡先 ：０８６－２５１－８９６１E-mail ： [email protected]
岡山大学 産学官連携プロデューサー氏名 ：遠藤 隆連絡先 ：０８６－２５１－７１５１E-mail ： [email protected]
● 特許に関するお問い合わせ岡山ＴＬＯ 特許流通アドバイザー氏名 ：上田 文明連絡先 ：０８６－２８６－９７１１E-mail ： [email protected]