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Atomic-scale surface and interface structural analysis of crystal growth process in molten metal

Research Project

Project/Area Number 23K26543
Project/Area Number (Other) 23H01850 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

一井 崇  京都大学, 工学研究科, 准教授 (30447908)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宇都宮 徹  京都大学, 工学研究科, 助教 (70734979)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2024: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Keywords原子間力顕微鏡 / 固液界面 / 溶融金属 / 結晶成長
Outline of Research at the Start

溶けた金属と固体金属とが接する面 (界面) では、双方の金属元素を含む合金結晶が形成される。このような界面はハンダ付けやめっきなど、実用上重要であるが、その界面現象を直接見ることはきわめて難しい。金属は不透明であり、光学顕微鏡でその中を見ることはできない。X線や電子線も制限がある。本研究では、独自開発した原子間力顕微鏡 (AFM) 技術をもとに、その結晶成長過程をその場 (in situ) で原子スケールで可視化することで、その界面で何が起きているのかを直接明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

溶けた金属と固体金属とが接する面 (界面) では、双方の金属元素を含む合金結晶が形成される。このような界面はハンダ付けやめっきなど、実用上重要であるが、その界面現象を直接見ることはきわめて難しい。金属は不透明であり、光学顕微鏡でその中を見ることはできない。X線や電子線も制限がある。本研究では、独自開発した原子間力顕微鏡 (AFM) 技術をもとに、その結晶成長過程をその場 (in situ) で原子スケールで可視化することで、その界面で何が起きているのかを直接明らかにすることを目的としている。
本研究では周波数変調方式のAFMを用いることで、溶融金属/固体金属の界面の可視化を実現している。その際、フォースセンサの共振周波数シフトを検出することで探針ー試料間距離制御を行うが、同時に検出される探針振動エネルギーの散逸量について、界面での結晶成長との関連性が強く示唆される情報が含まれることが新たに明らかとなった。また、初年度は室温で溶融状態にある過冷却Gaを対象に研究を進めたが、より幅広い溶融金属での研究が遂行できることが望ましい。多くのAFMで用いられる試料走査型方式では、試料を加熱する際にスキャナが加熱されるという問題が生じる。この問題を解決するために、新たに探針走査型のAFMの開発を進めている。プロトタイプとなるAFMは設計・試作が完了し、その際に生じた問題点の洗い出しもおおよそ初年度に完了した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

AFM分析可能な溶融金属の種類を広げるための探針走査型AFMの開発については、初年度に80 %程度進展しており、2024年度前半での完成が十分に見込まれる。また、結晶成長に関する研究についても、AFM独自の新たな現象を発見することに成功しており、研究は順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

まず、現在開発中の探針走査型AFMの開発を進め、現有の試料走査型AFMと室温において同等の性能を達成する。加えて、変位検出回路系の改良を進め、より高感度検出が可能な探針走査型-温度可変AFMを完成させる。
溶融金属/固体金属界面現象については、前述の通り探針振動エネルギーの散逸量と結晶成長との間に密接な関係があることが明らかになりつつある。これが室温でのGa中特有の現象なのか、より普遍的な現象なのかを明らかにする。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (4 results)

All 2023

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results)

  • [Journal Article] Interaction between the substrate and probe in liquid metal Ga: experimental and theoretical analysis2023

    • Author(s)
      Amano Ken-ichi、Tozawa Kentaro、Tomita Maho、Takagi Riko、Iwayasu Rieko、Nakano Hiroshi、Murata Makoto、Abe Yousuke、Utsunomiya Toru、Sugimura Hiroyuki、Ichii Takashi
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 13 Issue: 44 Pages: 30615-30624

    • DOI

      10.1039/d3ra04459a

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] High-resolution and in-situ structural analysis of alloy crystal surfaces in molten metal by variable temperature AFM2023

    • Author(s)
      Takashi Ichii, Yousuke Abe, Toru Utsunomiya, Hiroyuki Sugimura
    • Organizer
      24th International Conference on Non-contract Atomic Force Microscopy
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of a compact AFM for multi-probe electrochemical AFM2023

    • Author(s)
      R. Taguchi, T. Ichii, T.Utsunomiya, H. Sugimura
    • Organizer
      31st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM31)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Structural analysis on molten Ga and Cu-Ga alloy interface by Frequency Modulation qPlus AFM2023

    • Author(s)
      H. Kataoka, N. Suzuki, T. Ichii, T. Utsunomiya, H. Sugimura
    • Organizer
      31st International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM31)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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