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Elucidation of phase transition kinetics of neutron-irradiated HOPG to compressed graphite, and characterization of physical properties of compressed graphite on nanoscale

Research Project

Project/Area Number 20K05332
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionUniversity of Hyogo

Principal Investigator

Honda Shin-ichi  兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (90324821)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 肥後 祐司  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (10423435)
庭瀬 敬右  兵庫教育大学, 学校教育研究科, 教授 (50198545)
佐藤 庸平  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (70455856)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Keywords圧縮黒鉛 / 中性子照射高配向性熱分解黒鉛 / 相転移カイネティクス / 照射欠陥 / その場エネルギー分散型XRD / その場角度分散型XRD / TEM-EELS / その場XRD / 放射光X線回折測定法によるその場観察
Outline of Research at the Start

常温常圧下で安定な圧縮黒鉛の形成メカニズムの解明を目的として、中性子照射高配向性熱分解黒鉛(HOPG)に高圧・高温処理を施し、放射光を利用した高エネルギー単色X線回折測定法(XRD)によるその場観察を実施する。圧縮黒鉛は、室温下で黒鉛に圧力を加えることにより現れる炭素相であり、ダイヤモンドに匹敵する高強度、透明、絶縁性等の優れた物性を有する。科学そして産業応用の観点から、常温常圧下で安定な圧縮黒鉛を単相・高純度で合成するための新たな手法の開発と同時にさらなる物性の探索が必要とされている。

Outline of Final Research Achievements

We found that the phase transition kinetics of neutron-irradiated HOPG under high pressure and high temperature (16GPa, maximum 1400℃) is different between irradiated and un-irradiated HOPG.
Regarding the pressure-induced structural phase transition of neutron-irradiated HOPG at room temperature, Graphite G(002) peak is represented by two components in the irradiated sample, whereas it is represented by only one component in the un-irradiated sample. In addition to neutron irradiation and pressure, high-temperature treatment was found to be necessary for the formation of compressed graphite.
The nanoscale structure and electronic state of irreversibly compressed graphite by TEM-EELS suggested the presence of a slight sp3-σ* component, unlike graphite.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

常温常圧下で安定な圧縮黒鉛の合成について、中性子照射及び加圧に加えて、高温処理が必要であった等の新たな知見を得ることに成功した。圧縮黒鉛の形成メカニズムについては未だ明らかにされておらず、実用化のためのバルクサイズ合成プロセスの確立に向けたデータの収集に貢献するものである。
また、圧縮黒鉛のナノスケールでの構造と電子状態について、わずかに sp3-σ*成分の存在が示唆された等の新たな知見は、未知の部分も多く、大きなポテンシャルを秘めている圧縮黒鉛の科学そして産業応用の観点からその魅力をさらに拡大するものである。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Overview of the High-Pressure Beamlines at SPring-8 and the Latest Research Results2022

    • Author(s)
      肥後 祐司, 河口 沙織
    • Journal Title

      Nihon Kessho Gakkaishi

      Volume: 64 Issue: 1 Pages: 33-40

    • DOI

      10.5940/jcrsj.64.33

    • ISSN
      0369-4585, 1884-5576
    • Year and Date
      2022-02-28
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] In situ X-ray diffraction study on structural changes of neutron-irradiated highly oriented pyrolytic graphite under room-temperature compression and decompression2022

    • Author(s)
      S. Nakamura, W. Nakamura, S. Fujii, S. Honda, M. Niibe, M. Terasawa, Y. Higo, K. Niwase
    • Journal Title

      Diamond and Related Materials

      Volume: 123 Pages: 108828-108828

    • DOI

      10.1016/j.diamond.2022.108828

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In situ observation of transformation of neutron-irradiated highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) by X-ray diffraction under high-pressure and high-temperature treatment2021

    • Author(s)
      S. Honda, Y. Higo, K. Niwase, M. Niibe, M. Terasawa, E. Taguchi, S. Nakamura
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 中性子照射された黒鉛の室温での加圧・減圧下における構造変化2023

    • Author(s)
      庭瀬 敬右
    • Organizer
      第172回日本金属学会年春期講演大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] In situ X-ray diffraction study on the temperature dependence of structural change under high pressure for highly oriented pyrolytic graphite irradiated with neutrons2022

    • Author(s)
      庭瀬敬右
    • Organizer
      32nd International Conference on Diamond and Carbon Materials
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 放射光による中性子照射された黒鉛の高圧高温下での構造変化のその場観察2022

    • Author(s)
      庭瀬 敬右
    • Organizer
      2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 中性子照射した黒鉛の高圧・高温下での相変化のその場 X線回折2022

    • Author(s)
      庭瀬 敬右
    • Organizer
      第170回日本金属学会春期講演大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 中性子照射された HOPG の高圧高温下での構造変化に関するその場 XRD 観察2022

    • Author(s)
      中村 航
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 中性子照射した高配向性熱分解グラファイトの高圧・高温下における構造変化のその場X線回折2021

    • Author(s)
      中村 航
    • Organizer
      2021年 日本表面真空学会学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 中性子照射された高配向性熱分解グラファイトの高温高圧下での構造変化に関するその場X線回折観察2021

    • Author(s)
      中村 航
    • Organizer
      第18回放射線プロセスシンポジウム
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] TEM-EELS/XESによる圧縮グラファイトの電子構造の研究2021

    • Author(s)
      佐藤 庸平
    • Organizer
      日本物理学会 第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 中性子照射された高配向性熱分解グラファイトの室温静的高圧下における構造変化2020

    • Author(s)
      中村 周作
    • Organizer
      2020年 日本表面真空学会学術講演会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] SPring-8/BL04B1の現状と将来計画2020

    • Author(s)
      肥後 祐司
    • Organizer
      第61回高圧討論会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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