2014 Fiscal Year Annual Research Report
原子レベル構造解析によるＬＰＳＯ構造の構造物性発現機構の解明
| Project Area | Materials Science of synchronized LPSO structure -Innovative Development of Next-Generation Lightweight Structural Materials- |
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| Project/Area Number |
23109002
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
乾 晴行 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30213135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永井 康介 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (10302209)
阿部 英司 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70354222)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 原子配列解析 / 透過電子顕微鏡法 / 3次元アトムプローブ法 / 陽電子消滅実験 / 弾性歪解析 / 規則化 / 積層 / シンクロ型LPSO構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
濃度変調と構造変調が同期した新規な長周期積層（LPSO）構造（シンクロ型LPSO構造）を示すMg合金Mg-TM-RE（TM=遷移金属，RE=希土類金属）系合金を主として取り上げ，最新の走査透過電子顕微鏡法による原子の直接観察と3次元アトムプローブ法，陽電子消滅ドップラー広がり法を組み合わせた新たな解析法により安定構造及び相変態時の原子配列解析を行った．
Mg-Zn-Y三元系合金中に存在するLPSO相は，Zn/Y濃度に応じて結晶構造が変化し，Zn/Y濃度が小さい場合には，Zn/Y原子の面内規則化を伴わない所謂LPSO相が18Rと14Hの2つの異なる多形として形成されるが，Zn/Y濃度が大きくなると，Zn/Y原子はL12(Zn6Y8)型原子クラスターの形成を伴う面内規則化を有するOD相となり，L12型原子クラスターの配列秩序をほぼ一定に保ちつつ，Zn/Y濃度増加とともに構造ブロックの構成層数を7, 6, 5と順次減少させつつ，14H, 18R, 10H型の多形を取ることを明らかにした．このMg-Zn-Y三元系OD相の3つの多形では構造ブロックの優先積層位置はすべて異なり，OD理論から導き出されるもっとも単純な結晶構造を持つ多形（MDO）の空間群も多形によって異なる．14H, 18R, 10H型の多形のMDO多形の空間群はそれぞれP6322, C2/c, Cmceであった．Mg-Al-Gd三元系合金中に存在するOD相は18R型一種のみであるが， Mg-Zn-Y系の18R型OD相とは構造ブロックの優先積層位置は異なる．構造ブロックの優先積層位置はL12型原子クラスター間の相互作用を最小にするよう決定される傾向にあるが，その支配因子はなお不明である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
シンクロ型LPSO構造の原子配列解析を目的とした本研究における最重要課題は，(1) TM, RE原子が濃縮した隣接2原子層の積層周期（その規則性と乱れ）と(2) 濃縮2原子層内でのTMおよびRE原子配列を決定することである．これまでの研究により，濃縮2原子層内でのTMおよびRE原子配列については，Mg-Al-RE系LPSO相のSTEM直接観察から，濃縮は2原子層ではなく4原子層にあること，その単位としてL12型Al6RE8原子クラスターが存在することを明らかにし，いずれの項目も，STEM直接観察により完全に解明することができている．本年度の研究によりシンクロ型LPSO構造の原子配列に関する理解はさらに大きく前進し，Mg-Zn-RE系LPSO相でもL12型Zn6RE8原子クラスターの規則配列を伴った濃縮4原子層を基本としたOD構造が形成されること，および構造ブロックの構成層数を7, 6, 5と順次減少させつつ，14H, 18R, 10H型の多形を取ることによりZn/Y濃度の変化に対応できることが明らかとなった．また，長時間の熱処理により濃縮4原子層を含む構造ブロックの積層に長周期の規則性が現れ，熱力学的に安定な構造ブロックの長周期積層規則性を持った最安定構造が存在することが明らかになった．この最安定構造が現れる過程における原子移動を伴う構造変化のシークエンスも3次元アトムプローブ法を中心とした研究手法により解明されつつある．
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| Strategy for Future Research Activity |
Mg-Zn-Y三元系合金中に存在するLPSO相は，Zn/Y濃度に応じて結晶構造が変化し，Zn/Y濃度が小さい場合には，Zn/Y原子の面内規則化を伴わない所謂LPSO相が18Rと14Hの2つの異なる多形として形成されるが，Zn/Y濃度が大きくなると，Zn/Y原子はL12(Zn6Y8)型原子クラスターの形成を伴う面内規則化を有するOD相となり，Mg-Al-RE系OD相と同様に結晶構造が記述できることが明らかになったが，(1) なぜ，Mg-Zn-Y系の場合には構造ブロックの構成層数は5-7に変化できるのか？（Mg-Al-RE系では6しか許されない），(2) なぜ，Mg-Zn-Y系の場合には構造ブロックの構成層数が変わった時に優先積層位置も変化するのか？，(3) 構造ブロックの構成層数が同じにもかかわらず，Mg-Al-RE系とMg-Zn-Y系OD相で，なぜ構造ブロックの優先積層位置が異なるのか？，このような構造の相違を支配する因子の解明を推進している．具体的には，Mg-Al-RE系およびMg-Zn-RE系LPSO相における原子クラスターの相違（L12型原子クラスターあるいはその中心侵入型位置をMgが占めたペロブスガイト型原子クラスター）及びその安定性，これら原子クラスターの配列や密度の相違（Mg-Zn-RE系LPSO相ではより広い組成範囲にわたり存在出来る）とその安定性，これらと構造ブロックを構成する原子層の数との相関，構造ブロックの積層位置の相違とその積層秩序の相違を支配する因子を， STEMによる直接観察，3次元アトムプローブ法，陽電子消滅ドップラー広がり法と第一原理計算をカップルさせながら推進している．特筆すべき研究計画の変更や研究遂行上の問題点はない．
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| Remarks |
http://imc.mtl.kyoto-u.ac.jp/
http://www.mg-lpso.org/
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