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Structural study of solid solution of protonic conductors Rb$$_{3-x}$$K$$_{x}$$H(SeO$$_{4}$$)$$_{2}$$ by single crystal neutron diffraction

プロトン伝導体Rb$$_{3-x}$$K$$_{x}$$H(SeO$$_{4}$$)$$_{2}$$の単結晶中性子構造解析

鬼柳 亮嗣; 松尾 康光*; 大原 高志 ; 川崎 卓郎; 及川 健一; 金子 耕士; 田村 格良; 花島 隆泰*; 宗像 孝司*; 中尾 朗子*; 川北 至信

Kiyanagi, Ryoji; Matsuo, Yasumitsu*; Ohara, Takashi; Kawasaki, Takuro; Oikawa, Kenichi; Kaneko, Koji; Tamura, Itaru; Hanashima, Takayasu*; Munakata, Koji*; Nakao, Akiko*; Kawakita, Yukinobu

M$$_{3}$$H(XO$$_{4}$$)$$_{2}$$で表される固体酸と呼ばれる物質群は比較的低温で超プロトン伝導性を示すことが知られている。超プロトン伝導性は構造相転移と同時に発現し、その相転移温度はMやXの組成により変化する。また、超プロトン伝導相における伝導度もMやXの組成により変化することがわかっているが、その原因はわかっていない。そこで超プロトン伝導性の発現と内部構造の関係を明らかにするため、超プロトン伝導体の混晶であるRb$$_{3-x}$$K$$_{x}$$H(SeO$$_{4}$$)$$_{2}$$(x=0, 1, 2, 3)の中性子単結晶構造解析を行った。測定の結果、xの変化とともに格子定数が線形に変化することが観測され、これは平均イオン半径を考慮することにより理解される。一方、K原子が二つの独立なサイトのうち一つに優先的に入ることが明らかとなり、この占有率の変化と水素結合間距離の変化が一致することが明らかとなった。マクロ測定により、xの変化に相転移温度の変化は線形ではないことがわかっており、この相転移温度の変化とK原子占有率及び水素結合間距離に相関があることが明らかとなった。

The materials represented as M$$_{3}$$H(XO$$_{4}$$)$$_{2}$$ is known to exhibit a super protonic conductivity at rather low temperature. The protonic conductivity emerges upon a structural phase transition, and the phase transition temperature varies depending on the elements at M and X. In addition, the protonic conductivity also varies depending on the elements, but the origin has not been uncovered. In order to clarify the relation between the structure and the protonic conductivity including the phase transition mechanism, Solid solutions of super protonic conductors, Rb$$_{3-x}$$K$$_{x}$$H(SeO$$_{4}$$)$$_{2}$$ (x=0, 1, 2, 3), were structurally investigated by single crystal neutron diffraction. The structure analyses showed evident linear relation between the lattice parameters and x. Meanwhile, K was found to preferably reside at one of the two M sites. A apparent relation between the occupancy of K at one site and the transition temperature and the hydrogen-bond length were demonstrated.

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