First-principles study for suppressing phase transition in silica Cristobalite structure
Project/Area Number |
22K04694
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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Research Institution | Tohoku University |
Principal Investigator |
陳 迎 東北大学, 工学研究科, 教授 (40372403)
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Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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Keywords | SiO2 / Cristobalite / 第一原理 / 相転移抑制 |
Outline of Research at the Start |
高性能環境遮蔽コーティングの内部層にあるSiO2を高温から冷却する際に、β-Cristobaliteからα-Cristobaliteへの相転移が起こり、材料が劣化することが実験で知られている。この相転移を抑制することはEBCの開発に重要な課題であり、多種類の結晶構造が有するSiO2の相転移の研究として新しい視点から切り込むチャレンジでもある。本研究は、電子構造とフォノン計算、及び原子の局所エネルギー、原子間結合特性の定量的解析の組合せで、軽元素ドーピングによりSiO2 Cristobalite構造の相安定性、相転移のメカニズムを解明し、Cristobalite構造の相転移抑制の指針を提案する。
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Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、第一原理計算に基づいて、EBC酸化保護膜として有望な結晶性SiO2の要素であるCristobalite構造に着目して、Cristobalite構造のβ-α相転移を抑制する指針が得ることが目的とした。研究の最初年度には、研究全体のコアであるCristobalite 関連相、の基礎計算を行った。主な結果か以下になる。 (1)SiO2におけるa-Cristobalite、β-Cristobalite、α-Quartzに対して絶対0Kでの電子構造計算を行った。α-Quartzは基底構造であり、β-Cristobaliteの数種類の構造の中にI42dのエネルギーは一番低い、α-Cristobaliteはβ-Cristobaliteより安定で、βからaに相変態する場合は格子の体積が小さくなることが確認された。 (2)電子構造とフォノン振動の計算を組み合わせて1800Kまで各相の自由エネルギーを温度の関数として算出し、2つの相変態の温度(β-Cristobalite->α-Quartz、β-Cristobalite->α-Cristobalite)を求めた。 (3)β-Cristobalite、α-Cristobaliteとa-QuartのSupercellにsingle N, pair N2の数種類の配置に対して形成エネルギーを計算した。pair N2の置換で、Si-N-N-Si-O のRing を形成するβ-Cristobalite 構造が他の構造より明らかに体積が小さくなり安定化することが分かった。電子構造の解析により、N2-Ring配置の導入により低エネルギー域に局所的なN(s)軌道の存在とFermiエネルギー以下のN(p) 軌道の散在分布から形成されたO(p)-Si(p)-N(p) ハイブリッド結合、N原子からSi-Nバンドへの電荷移動は系を安定化する要因とみられる。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」にあるように、計画通りで最初年度に研究全体のコアであるCristobalite 関連相の基礎計算を行い、充実した結果を得られて、スムーズに次のステップに進めることができる。
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Strategy for Future Research Activity |
研究の2年目の研究計画: (1)原子間結合特性解析:Bader電荷, Bader体積, EFL (electron local function)分布, 原子の局所エネルギー分布を解析することで、窒素dopingによる原子間結合強度の変化を調べる。 (2)窒素dopingによる局所変位、局所エネルギー密度、局所応力密度の解析を行い、窒素ドーピングのβ-Cristobalite相の安定性へ及ぼす影響のメカニズムを解明する。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)