中性子散乱による融体・金属ガラスの構造ゆらぎとダイナミックス

• Project/Area Number: 15074208
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 福永 俊晴 Kyoto University, 原子炉実験所, 教授 (60142072)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 恵司 京都大学, 原子炉実験所, 助教 (80324713) ; 大友 季哉 京都大学, 高エネルギー加速器研究機構・物質構造科学研究所, 准教授 (90270397)
• Project Period (FY): 2003 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥45,300,000 (Direct Cost: ¥45,300,000); Fiscal Year 2007: ¥3,700,000 (Direct Cost: ¥3,700,000); Fiscal Year 2006: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥10,400,000); Fiscal Year 2005: ¥18,000,000 (Direct Cost: ¥18,000,000); Fiscal Year 2004: ¥6,100,000 (Direct Cost: ¥6,100,000); Fiscal Year 2003: ¥7,100,000 (Direct Cost: ¥7,100,000)
• Keywords: 金属ガラス / 中性子回折 / 中性子非弾性散乱 / 多面体解析 / リバースモンテカルロ法 / 20面体構造 / プリズム構造 / ボゾンピーク / X線回折 / 構造因子 / 二十面体構造 / 三角プリズム構造 / リバースモンテカルロ / 中性子散乱 / 原子構造 / 構造モデル / 水素吸蔵 / 組成ゆらぎ

Research Abstract

金属ガラスの安定性は金属ガラスを構成する短範囲構造ユニットや中距離構造と深い関係があると考える。さらに、非平衡状態では安定になるための原子の動きがあることから、原子の運動とも深く関わっていると考えられる。熱的に安定なCu-Zr金属ガラスは20面体的な構造ユニットが多く存在するが、Ni-Zr金属ガラスはNi-Zr系の安定結晶を構成している三角プリズム構造が多く存在することが明らかになった。そのNi-Zr系金属ガラスにA1などの第三元素を添加することにより熱的安定性が増すが、そのときの構造変化を調べた結果、A1添加により三角プリズム構造が減少し、20面体的な構造ユニットの増加が観察された。このことは金属ガラスの熱的安定性は構造学的に20面体的な構造ユニットが強く関わっていることを示唆している。Cu-Zr系金属ガラスに第三元素としてA1を添加したときの構造変化を調べると、20面体的な構造ユニットの構造の急激な増加は見られないが、正20面体的なユニットの増加が観察された。この変化を、中性子非弾性散乱を用いたダイナミックス観点から検討を行った結果、5meV付近に観察される低エネルギー励起(ボゾンピーク)の強度がA1を添加することによって低下することが明らかになった。この現象は金属ガラスにおける自由体積(free volume)の減少と解釈することが出来ることから、第三元素の添加による金属ガラスの熱的安定性は系の自由体積の減少による原子の動きの低下によるものと解釈することができる。すなわち、金属ガラスの熱的安定性をよくするためには、系の構成構造ユニットである正20面体を増加させ、かつ自由体積を減少させることであることが明らかになった。

Research Products

• [Journal Article] Structure of Amorphous LaNi5D3.3 Studied by Neutron and X-ray Diffraction (2007)
  • Author(s): K. Itoh, T. Shoumura, K. Mori, M, Sugiyama and T. Fukunaga
  • Journal Title: Journal of Non-Crystalline Solids 353 Pages: 1975-1978
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Voronoi Analysis of the Structure of Ni-Zr-Al Ternary Metallic Glass (2007)
  • Author(s): T. Fukunaga, K. Iton, T. Otomo, K. Mori, M. Sugiyama, H. Kato, M. Hasegawa, A.Hirata, Y. Hirotus and A. C. Hannon Meter
  • Journal Title: Mater. Trans. JIM 48 Pages: 1698-1702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reverse Monte Carlo Modeling of Atomic Configuration for Amorphous Materials (2007)
  • Author(s): T. Fukunaga, K. Itoh, K. Mori and M. Sugiyama
  • Journal Title: Solid State Phenomena 127 Pages: 51-56
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of amorphous CeFe2D3.9 observed by x-ray and neutron diffraction (2007)
  • Author(s): K. Itoh, K. Aoki, M. Sugiyama, K. Mori, and T. Fukunaga
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds 446 Pages: 19-22
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic configuration of metal atoms in (Ti_0.676Zr_0.324) D_0.31 metallic glass studied by X-ray, neutron diffraction and reverse Monte Carlo modeling (2007)
  • Author(s): K. Itoh, K. Hashi, K. Aoki, K. Mori, M. Sugiyama and T. Fukunaga
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds 434/435 Pages: 180-182
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural observation of amorphous (Ti0.676Zr0.324)D0.31 by neutron and X-ray diffraction (2007)
  • Author(s): K. Itoh, K. Hashi, K. Aoki and T. Fukunaga
  • Journal Title: Journal of Non-Crystalline Solids 353 Pages: 3049-3052
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Stability of the Zr-Ni-Al Bulk Amorphous Phase from Local Atomic Arrangements of the Relevant Crystals. (2006)
  • Author(s): S.Nakano, T.Takeuchi, K Soda, M.Hasegawa, U.Mizutani, H.Sato, K.Itoh, T.Fukunaga
  • Journal Title: J.Jpn.Soc.Powder Powder Metallurgy 53 Pages: 100-106
  • NAID: 130000055827
• [Journal Article] Voronoi Analysis of the Cu-Zr and Ni-Zr Metallic Glasses. (2006)
  • Author(s): T.Fukunaga, K.Itoh, T.Otomo, K.Mori, M.Sugiyama, H.Kato, M.Hasegawa, A.Hirata, Y.Hirotsu, A.C.Hannon
  • Journal Title: Intermetallics 14 Pages: 893-897
• [Journal Article] Topological Characterization of Metallic Glasses by Neutron Diffraction and RMC Modeling (2006)
  • Author(s): T.Fukunaga, K.Itoh, T Otomo, K.Mori, M.Sugiyama, H.Kato, M.Hasegawa, A.Hirata, Y.Hirotsu, K.Aoki
  • Journal Title: Physica B 385/386 Pages: 259-262
• [Journal Article] 中性子線による金属ガラス構造解析 (Ni33.3Zr66.7, Cu33.3Zr66.7の構造的特徴) (2006)
  • Author(s): 福永俊晴, 伊藤恵司, 大友季哉
  • Journal Title: 粉体および粉末冶金 53 Pages: 91-93
• [Journal Article] 中性子回折によるアモルファス合金の構造観察 (2006)
  • Author(s): 福永俊晴, 伊藤恵司
  • Journal Title: 日本結晶学会会誌 48 Pages: 70-75
  • NAID: 10020535233
• [Journal Article] 中性子線による金属ガラス構造解析(Ni33.3Zr66.7,Cu33.3Zr66.7の構造的特徴) (2006)
  • Author(s): 福永俊晴, 伊藤恵司, 大友季哉
  • Journal Title: 粉体および粉末冶金 53 Pages: 91-93
• [Journal Article] Structure of Amorphous TbNi2D2.4 Observed by X-ray and Neutron Diffraction (2005)
  • Author(s): K.Itoh, T.Sawada, K.Aoki, T.Fukunaga
  • Journal Title: J.Alloys and Compounds 392 Pages: 6-11
• [Journal Article] Structural Observation and RMC Modeling for Ni-Zr and Cu-Zr Metallic Glasses (2005)
  • Author(s): T.Fukunaga, D.Touya, K.Itoh, T.Otomo, K.Mori, H.Kato, M.Hasegawa
  • Journal Title: J.Metastable & Nanocrystalline Materials 24-25 Pages: 217-220
• [Journal Article] Structural Study of Hydrogen Storage Amorphous Alloys (2005)
  • Author(s): T.Fukunaga, K.Itoh, K.Aoki
  • Journal Title: Materials Science Forum 502 Pages: 257-262
• [Journal Article] Free-Energy Analysis of the Zr-Ni-Al Bulk Metallic Glass from the Local Atomic Arrangements of the Relevant Crystals. (2005)
  • Author(s): T.Takeuchi, S.Nakano, M.Hasegawa, K.Soda, H.Sato, U.Mizutani, K.Itoh, T.Fukunaga
  • Journal Title: Mater.Trans. 46 Pages: 2791-2798
  • NAID: 10017149874
• [Journal Article] 材料の創製と構造観察 (2004)
  • Author(s): 福永俊晴
  • Journal Title: 波紋 14 Pages: 22-24
  • NAID: 130001998644
• [Journal Article] Structural analysis for crystalline and amorphous RFe_2D_x (R : Ho, Tb) by X-ray/neutron (2004)
  • Author(s): K.Itoh, Y.Miyagima, K.Aoki, T.Fukunaga
  • Journal Title: J. Alloys & Compounds 376 Pages: 9-16
• [Journal Article] 中性子散乱によるナノ・アモルファス水素吸蔵材料中の水素の観察 (2004)
  • Author(s): 福永俊晴, 伊藤恵司
  • Journal Title: まてりあ(解説論文) 43 Pages: 225-231
  • NAID: 10012716375
• [Journal Article] Structural Observation of Nano-Structured and Amorphous Hydrogen Storage Materials (2003)
  • Author(s): T.Fukunaga, K.Itoh, S.Orimo, K.Aoki
  • Journal Title: Mater.Sci. & Eng. B 108 Pages: 105-113
• [Journal Article] X-ray and Neutron diffraction studies of atomic scale structures of crystalline and amorphous TbFe_2D_x (2003)
  • Author(s): K.Ito, K.Kanda, K.Aoki, T.Fukunaga
  • Journal Title: J. Alloys & Compounds 348 Pages: 167-172
• [Presentation] Structure of Hydrogen Storage Amorphous Materials (2008)
  • Author(s): T. Fukunaga
  • Organizer: International workshop on structural Analysis Bridging over between Amorphous and Crystalline Materials (SABAC2008)
  • Place of Presentation: Tokai, Japan
• [Presentation] Structural change in Ni61Zr39 amorphous alloy due to the deuterium absorption (2008)
  • Author(s): K. Itoh, T. Watanabe, T. Otomo, M. Sugiyama, K. Mori and T. Fukunaga
  • Organizer: 8th Korea-Japan Meeting on Neutron Science
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
• [Presentation] Structural Study of (Na2S) 50 (GeS2) 50 Glass by x-ray and Neutron Diffraction (2007)
  • Author(s): K. Itoh, M. Sugiyama, K. Mori and T. Fukunaga
  • Organizer: XXIst International Congress on Glass
  • Place of Presentation: France
• [Presentation] Structural Study of Ni0.61Zr0.39 and (Ni0.61Zr0.39) D0.59 Amorphous Alloys (2007)
  • Author(s): K. Itoh, M. Sugiyama, K. Mori and T. Fukunaga
  • Organizer: The International Symposium on Metastable and Nano Materials (ISMANAM)
  • Place of Presentation: Greece
• [Publications] K.Itoh, K.Kanda, K Aoki, T.Fukunaga: "X-ray and Neutron Diffraction Studies of Atomic Scale Structures of Crystalline and Amorphous TbFe_2D_x"J.Alloys & Compounds. 348. 167-172 (2003)