Three Dimensional Visualization of the Formation Process of the Mille-Feuille Structures Based on Atomic Resolution Holography

• Project Area: Materials science on mille-feullie structure -Developement of next-generation structural materials guided by a new strengthen principle-
• Project/Area Number: 21H00099
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 木村 耕治 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20772875)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 蛍光X線ホログラフィー / ミルフィーユ構造 / Mg合金 / 原子分解能ホログラフィー

Outline of Research at the Start

Mgに遷移金属とレアアースを添加した合金は次世代の軽量構造材料として期待されている。現在、コスト削減や更なる軽量化に向けて、添加元素量を小さく抑えることが課題となっている。そのため、希薄な添加元素が合金中でどのように配列しているかを詳しく調べ、力学特性との関係を理解することが重要である。本研究では、放射光X線源を用いた原子分解能ホログラフィーという最先端の構造解析手法によって、希薄な添加元素の配列を原子レベルで可視化し優れた力学特性の発現機構の理解に結び付ける。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、添加元素が層状に挿入された構造を有するミルフィーユ型Mg合金の構造を原子レベルで解明することを目的としている。特に、熱処理によって微量に添加したZnとYの原子配列がどのように変化するに着目して、蛍光X線ホログラフィーによる構造解析に取り組んできた。蛍光X線ホログラフィーは、微量な添加元素の配列を３次元的に解析できる強力な手法である。これにより、ミルフィーユ構造の形成過程に資する構造的知見が得られると期待される。
昨年度までで、熱処理を施す前のMg合金に蛍光X線ホログラフィーを適用し、従来提唱されていた原子配列とは異なる、希薄合金特有のZn-Yクラスターが形成されていることを明らかにした。
本年度は、熱処理を施したMg合金に蛍光X線ホログラフィーを適用し、添加元素の配列を調べた。一方向凝固材を準備し、520℃で5時間の熱処理を行った。実験は大型放射光施設SPring-8で実施し、質の高いZn-Ka線のホログラムデータを得ることができた。データを詳細に解析したところ、熱処理前で形成していたZn-Yクラスター構造が、熱処理後の試料では観測されなかった。この結果は、別途実施した電子顕微鏡による観察結果とも符合していた。得られた原子像から、ZnはMgのサイトに単純に置換していることが分かった。熱処理により、力学特性が低下することが知られていることから、Zn-Yクラスターの形成が機械強度向上の要因となっていることが示唆された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Local Structural Analysis around Solute-Element in Annealed Mg_99.2Zn_0.2Y_0.6 Alloy Using X-ray Fluorescence Holography (2023)
  • Author(s): Kimura Koji、Egusa Daisuke、Hagihara Koji、Happo Naohisa、Kawamura Naomi、Tajiri Hiroo、Hayashi Kouichi、Abe Eiji
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 4 Pages: 750-755
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-MD2022009
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-04-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Local structure analysis around Y in Mg99.7Y0.3 single crystal using x-ray fluorescence holography (2023)
  • Author(s): Kato Tatsuya、Kimura Koji、Hosokawa Shinya、Ando Shinji、Kashima Seishi、Hashimoto Yusuke、Happo Naohisa、Matsushita Tomohiro、Ishii Hirofumi、Hayashi Kouichi
  • Journal Title: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena Volume: 262 Pages: 147279-147279
  • DOI: 10.1016/j.elspec.2022.147279
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray Fluorescence Holography as a Probe of Hyper-Ordered Structures (2022)
  • Author(s): Kimura Koji
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 9 Pages: 091005-091005
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.091005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Significant displacement of calcium and barium ions in ferroelectric (Ba_0.9Ca_0.1)TiO₃ revealed by x-ray fluorescence holography (2022)
  • Author(s): Yamamoto Y.、Kawamura K.、Sugimoto H.、Gadelmawla A.、Kimura K.、Happo N.、Tajiri H.、Webber K. G.、Kakimoto K.、Hayashi K.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Issue: 5 Pages: 052905-052905
  • DOI: 10.1063/5.0076325
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Element-selective local structural analysis around B-site cations in multiferroic Pb(Fe1/2Nb1/2 )O3 using x-ray fluorescence holography (2021)
  • Author(s): Kimura K.、Urushihara D.、Kondo R.、Yamamoto Y.、Ang A. K. R.、Asaka T.、Happo N.、Hagihara T.、Matsushita T.、Tajiri H.、Miyazaki H.、Ohara K.、Iwata M.、Hayashi K.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Issue: 14 Pages: 144101-144101
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.144101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 熱処理を施した希薄Mg-Zn-Y合金の溶質元素まわり局所構造： 蛍光X線ホログラフィーによる解析 (2022)
  • Author(s): 木村 耕治、江草 大佑、萩原 幸司、 八方 直久、河村 直己、田尻 寛男、林 好一、阿部 英司
  • Organizer: 日本金属学会２０２３年春期講演
• [Presentation] elf-Tuned Structure of Solute-Clusters in Dilute Mg-Zn-Y Alloy Revealed by X-ray Fluorescence Holography (2022)
  • Author(s): Koji Kimura, Daisuke Egusa, Hidetoshi Miyazaki, Yohei Sato, Mitsuhiro Itakura, Koji Hagihara, Naohisa Happo, Tomohiro Matsushita, Hiroo Tajiri, Kouichi Hayashi, and Eiji Abe
  • Organizer: The 5th International Symposium on Long-Period Stacking / Order Structure and Mille-feullie Structure
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによる構造/機能材料の原子配列イメージング (2022)
  • Author(s): 木村耕治
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会 2022
  • Invited
• [Presentation] Structure of Solute Clusters in Dilute Mg-Zn-Y Alloy Revealed by X-ray Fluorescence Holography (2022)
  • Author(s): Koji Kimura, Daisuke Egusa, Hidetoshi Miyazaki, Yohei Sato, Koji Hagihara, Tomohiro Matsushita, Hiroo Tajiri, Kouichi Hayashi, and Eiji Abe
  • Organizer: Exploration of Atomistic Disorder in Long-Range Ordered Systems and of Order in Disordered Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによるミルフィーユ構造Mg99.2Zn0.2Y0.6合金の局所構造解析 (2022)
  • Author(s): 木村耕治、江草大佑、阿部英司、宮崎秀俊、佐藤傭平、板倉充洋、萩原幸司、山本裕太、Artoni K.R. Ang、八方直久、松下智裕、林好一
  • Organizer: 軽金属学会：第142回春期大会
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーを用いた希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6合金のドーパント周り局所構造解析 (2022)
  • Author(s): 木村耕治、江草大佑、宮崎秀俊、萩原幸司、 八方直久、松下智裕、阿部英司、林好一
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 希薄Mg-Zn-Y合金のZn/Y配列： 蛍光X線ホログラフィーによる構造解析 (2022)
  • Author(s): 木村 耕治、江草 大佑、阿部 英司、宮崎 秀俊、佐藤 庸平、板倉 充洋、 萩原 幸司、山本 裕太、Ang Artoni、八方 直久、松下 智裕、林 好一
  • Organizer: 日本金属学会 第170回講演大会
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーで解き明かす結晶中のドーパント構造 (2022)
  • Author(s): 木村耕治
  • Organizer: 第10回クリスタル科学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによる 希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6合金のZn-Yクラスター構造解析 (2022)
  • Author(s): 木村耕治、江草大佑、宮崎秀俊、萩原幸司、 山本裕太、Artoni K.R. Ang、八方直久、松下智裕、阿部英司、林好一
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによる希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6合金の局所構造解析 (2021)
  • Author(s): 木村 耕治, 江草 大佑, 阿部 英司, 萩原 幸司, 宮崎 秀俊, 山本 裕太, Artoni Ang, 八方 直久, 松下 智裕, 林 好一
  • Organizer: 日本金属学会 2021年 秋期 第169回講演大会
• [Presentation] Attempt to Apply X ray Fluorescence Holography to a Grain of Mille-Feuille Structure Mg Alloy (2021)
  • Author(s): Koji Kimura, Daisuke Egusa, Hidetoshi Miyazaki, Artoni Ang, Seiji Kashima, Yuta Yamamoto, Naohisa Happo, Tomohiro Matsushita, Eiji Abe, and Kouichi Hayashi
  • Organizer: 12th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 構造物性科学研究室
  • URL: http://structure.web.nitech.ac.jp/
• [Remarks] ミルフィーユ構造の材料科学
  • URL: https://www.mfs-materials.jp/
• [Remarks] 超秩序構造化が創造する物性科学
  • URL: https://www.hyperordered.org/