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Pressure-induced phase separation with intersite hydrogen transfer in rare-earth metal hydrides

希土類金属水素化物の水素移動を伴う圧力誘起相分離

青木 勝敏; 町田 晃彦; 本田 充紀  ; 服部 高典 ; 佐野 亜沙美  ; 綿貫 徹; 片山 芳則; 小松 一生*; 有馬 寛; 大友 季哉*; 坪田 雅己*; 市川 貴之*; 小島 由継*; 大下 英敏*; Kim, D. Y.*

Aoki, Katsutoshi; Machida, Akihiko; Honda, Mitsunori; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Watanuki, Tetsu; Katayama, Yoshinori; Komatsu, Kazuki*; Arima, Hiroshi; Otomo, Toshiya*; Tsubota, Masami*; Ichikawa, Takayuki*; Kojima, Yoshitsugu*; Oshita, Hidetoshi*; Kim, D. Y.*

LaD$$_{2}$$がLa金属格子中の重水素原子の再配置を伴って相分離することを放射光X線回折と中性子回折実験により見いだした。放射光実験はSPring-8、ビームライン22XUを中性子実験はJ-PARCの全散乱装置NOVAを用いて実施した。重水素原子はLaD$$_{2}$$ではfcc金属格子の四面体サイトを占めているが、11GPaの圧力下で八面体サイトに移動してLaDとLaD$$_{3}$$が形成される。NaCl-型一水素化物は遷移金属では観測されているが、希土類金属で形成が確認されたのは初めてである。第一原理計算はLaH$$_{2}$$がLaHとLaH$$_{3}$$に10GPaで相分離することが示された。生成エンタルピー計算からLaH$$_{3}$$の体積減少が相分離を駆動していることがわかった。

Rare-earth metal La forms T-site occupied fcc-LaH$$_{2}$$ and fully occupied fcc-LaH$$_{3}$$, the former is metallic and the latter is insulating. Our previous synchrotron X-ray and infrared measurements revealed that the dihydride decomposed into hydrogen-rich and hydrogen-poor phases upon compression to 11 GPa at ambient temperature; the hydrogen rich phase was identified as LaH$$_{3}$$ but the hydrogen composition and occupation sites of the hydrogen-poor phase remained undetermined. The crystal structure of the hydrogen-poor phase was investigated for LaD$$_{2}$$ by neutron diffraction measurement with a total diffractometer NOVA at J-PARC. The formation of NaCl-type LaD as a counterpart of LaD$$_{3}$$ by the decomposition was confirmed from the diffraction profiles. First-principle enthalpy and lattice dynamic calculations have demonstrated that the NaCl-type LaH is stabilized at high pressures.

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