2020 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
19H05786
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
松永 克志 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20334310)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉矢 真人 大阪大学, 工学研究科, 教授 (00399601)
中村 篤智 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20419675)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 転位 / 電子伝導 / 熱伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「転位」は、材料の塑性変形を担う結晶欠陥として古くから知られている。最近では、転位コア近傍の特異な原子配列に基づき発現する新奇な材料機能が見出されるようになっている。本計画研究では、転位局所領域の機能発現の源となる量子場を「転位機能コア」と位置づけ、転位の電子・原子構造モデリングならびにそれに伴う転位の熱伝導特性と電子伝導特性に関して実験および理論の両面から検証を行っている。
令和2年度では、酸化物材料および半導体材料において熱力学的に安定な転位コア構造とその運動性を理論計算により調査した。また、双結晶実験により転位構造を実際に作製した。さらには、転位局所の熱伝導特性の実験的評価手法の構築を開始した。実験結果の１つとして、マクロな熱伝導特性が塑性変形により変化することが分かった。これは転位が熱伝導に大きく影響することを示していると言える。また、予備検討中でありながら、転位局所の熱伝導特性評価が実現可能との感触を得た。
また、前年度に予備検討を済ませた転位芯近傍の局所熱伝導の理論解析を、酸化マグネシウム及びチタン酸ストロンチウムに関して行った。その結果、熱伝導に関する従来理論からは予測し得ない、転位芯近傍の結合歪場および異方的集団原子振動による熱伝導度の大幅な低下、特に結合歪に対して非線形依存性を示す局所熱伝導の低下、更には転位の存在による音響モードの全熱伝導に対する大幅な寄与の低下などが見出された。加えて電子伝導に関しては、チタン酸ストロンチウム中の部分転位間の積層欠陥の存在により新たに生じた特異な軌道間相互作用による波動関数の非局在化による電子伝導度向上など、実験結果を裏付ける結果が得られた。
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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
酸化マグネシウムの刃状転位を対象に、転位コアの電子・原子構造の熱力学的安定構造の検討を行った結果、転位コア構造に関する一定の理解が得られた。また、特異な転位コア構造を有するチタン酸ストロンチウムにおいて、積層欠陥の安定構造についても理解が得られつつある。
実験的に作製された、酸化マグネシウムおよびチタン酸ストロンチウムの双結晶を用いて、電子顕微鏡観察を行ったところ、想定された転位コア構造が実際に形成されていることが確認された。このうち、代表的な転位コア構造に対して、電子伝導測定を開始するとともに、熱伝導測定の装置開発を行っているところである。
計算による解析では、熱伝導に関して、上述のモデリングにより得られた酸化マグネシウムおよびチタン酸ストロンチウムの完全転位を対象に局所熱伝導解析を行った。転位芯近傍では結合歪に由来した特異な局所原子振動場が形成され、結果として局所熱伝導度が非線形的に抑制されることが明らかとなった。特にチタン酸ストロンチウム中では２種類の陽イオンへの転位歪場の影響が大きく異なり、音響モードで支配的なストロンチウムの寄与が、転位近傍では劇的に低下し、このことも熱伝導低下の要因であることを明らかにした。電子伝導に関しては、上述の部分転位間積層欠陥モデルを用いて電子伝導解析を行い、電子伝導度増大という実験を裏付ける結果が得られた。以上の様に、これらの従来にない新奇な理論計算も順調に進んでおり、より大規模な系を利用した信頼性のあるデータが現在取得されつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに完了した理論的な解析結果から、転位コアに局在する量子場の広がりが特性を大きく支配していることが予測されている。そこで、転位特有の量子場の広がりを実験的に評価するために、配列の異なる転位列を材料中に実際に作り出し、それらの重なりを評価する検証実験を開始する。つまり、転位周囲の電子的ポテンシャルの系統的実験を行っていく予定である。また、現在構築中の局所熱伝導特性評価装置を用いて、転位列の熱伝導特性評価の実験に着手する。さらには、半導体において転位が電子やホールを集積し再結合する機能が予測されるため、その再結合に関する実験的な検証を行っていく。
基本理論では正の相関関係にある熱伝導と電子伝導に関して、転位の存在により電子伝導向上とともに熱伝導抑制が成し得ることが分かってきた。これは例えば熱電変換材料に応用可能である。このような応用をも見据えた観点に基づき、より大規模かつ実際的なモデルを用いて定量性を挙げた伝導性評価を行い、機能コアとしての転位の役割をより明確にしていく。
転位コアの電子・原子構造の解析から、半導体もしくは絶縁体的な性質を有するイオン結合性材料では、転位における局所電荷を生じるため、理論計算を困難にしている。この問題は転位の存在による本質的なものであり、従来の理論だけでは完全な解決は困難となっている。今後は、実験で得られたデータを有効に利用しつつ、合理的な計算を実施していく。
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