2014 Fiscal Year Annual Research Report
高圧・高温プロセスを利用した新しい構造―機能相関の探求
| Project Area | Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation |
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| Project/Area Number |
25106006
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
谷口 尚 独立行政法人物質・材料研究機構, 先端材料プロセスユニット, グループリーダー (80354413)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遊佐 斉 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (10343865)
宮川 仁 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (40552667)
吉田 英弘 独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (80313021)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 超高圧合成 / 高圧下その場観察 / 高密度相 / 準安定相の凍結 / 耐環境セラミックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高圧合成した立方晶窒化ホウ素(cBN)とダイヤモンド単結晶の接合結晶の界面構造を理論的、実験的に検証した。HAADF・STEM法による接合界面評価では両結晶の格子不整合に起因する周期的な積層欠陥、(111)ダイヤモンド表面層にはcBNのホウ素原子が初期に結合することが明示され、第一原理計算による予測とも一致した。
タンタル窒化物における構造と体積弾性率の相関を礎に、高硬度の微粒タングステンカーバイド型超硬質窒化タンタル焼結体を合成した。更に、窒化タンタルと炭化タンタル固溶体等に成分系を拡張した。また、強誘電体合成を視野に据えた、A2+B4+O3組成の高圧合成ニオブ酸リチウム相の安定性やポストペロブスカイト相に関する系統的研究を開始した。
12CaO･7Al2O3(C12A7)結晶中に包接されるイオンのサイズ・密度差による高圧下での構造安定性を検証し、高温高圧下・還元雰囲気における直接合成条件を見出したことにより、C12A7結晶中を拡散できない大きさのイオン種も高圧下直接合成によりケージ内に導入できる見通しを開いた。
高温プロセスにおける外場（応力場・電場）制御を可能とする焼結装置およびその電磁場・緻密化過程をその場計測する装置を作製した。適切な電場印加に伴い、通常よりも低温で且つごく短時間で焼結緻密化が完了するflash-sinteringプロセスについて、その緻密化素過程ならびに微細組織形成過程におよぼす電磁場エネルギー・機能元素添加効果・点欠陥生成反応への影響について、A01各班、A02(エ)班との連携により評価・解析した。また、A01班との連携で機能元素と高温プロセスの高度制御を駆使し、相変態による劣化を起こさない新たな耐環境正方晶ジルコニアセラミックスの開発に成功した。
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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
理論的予測、STEMによる超微細構造解析により、材料中最大の硬度を有するダイヤモンドとダイヤモンドに次ぐ硬度を有するcBN単結晶のヘテロ接合界面の構造を明らかにした。
理論的予測では(111)ダイヤモンド表面層に結合したホウ素の相互作用により接合界面に特異なホール伝導が示唆されるなど、新たな機能発現が期待される。
結晶構造情報から材料機能特性を把握するという研究の流れにより、超硬質相に特有な構造を見いだすことができた。さらに、それを基に、TaN焼結体の粒径制御による特性向上や成分を拡大した系の研究が進展してきた。さらに、他の機能性物質（強誘電体等）について同様に展開していきたい。
高温プロセスと外場制御を可能とする焼結装置の製造、電場下での緻密化素過程ならびに微細組織形成過程の評価、また高度な高温プロセスによる新たな耐環境ジルコニアの製造を他班との連携で実施しており、ほぼ当初の予定通り研究が進行している。今後、さらに研究を効率的に進めていく上で、引き続き緊密な連携を取る。
以上、研究の進捗は概ね順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き高圧結晶構造やそれに伴って出現する特有なナノ構造情報から、機能物性探索を進める。具体的には、硬質材料、ワイドギャップ半導体材料のヘテロ接合界面の構築、金属窒化系硬質物質における普遍的基本構造の追究等があげられる。また、高圧構造が減圧時に構造緩和により変化する構造に注目し、中心対称性の喪失に伴う強誘電性の発現に至る系統的解釈や、欠陥生成・構造微細化等による光触媒機能等の特性改善を目指す。この際、高圧下でのイオン半径等、構造の基本となる情報の精査も必要となる。
C12A7結晶の構造安定性を理論計算から評価し、包接イオン種の化学的効果、又はサイズ等の物理的効果のいずれかが、構造安定性に寄与しているか検討する。包接できる元素種の定量的な予測を行い、新規イオンの包接を、合成実験を通して試みる。欠陥ペロブスカイト構造をとるWO3結晶、ReO3結晶を対象に、空のカチオンサイトへのドーピングを高圧下で試み、ブロンズ相の構造相転移の検証や新規層状化合物の創製とその導電化を目指す。
アルミニウム・ジルコニウム・イットリウム等の酸化物をはじめとする各種金属酸化物を対象とし、外場制御による高温プロセスの高度化、すなわち常圧～高圧・高温下における化学組成、雰囲気および外場（応力場・電場）制御焼結技術を複合的に組み合わせた粒界ナノ領域の制御プロセスの開発に引き続き取り組む。また、粒界ナノ領域の物理的描像（A01各班、A02(エ)班との連携）と、物質・電荷輸送現象や各種材料特性（A03(キ)班との連携で評価・解析）とをプロセスに反映・最適化させ、従来の焼結手法では製造することのできなかった新たな耐環境セラミックス材料の創製を目指す。
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Research Products
(17 results)
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[Journal Article] Atomic structure of luminescent centers in high-efficiency Ce-doped w-AlN single crystal2014
Author(s)
R. Ishikawa, A. R. Lupini, F. Oba, S. D. Findlay, N. Shibata, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Hayashi, T. Sakai, I Tanaka, Y. Ikuhara, S. J. Pennycook
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Journal Title
SCIENTIFIC REPORTS
Volume: 4
Pages: 3778-1
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Fracture-induced amorphization of polycrystalline SiO2 stishovite: a potential platform for toughening in ceramics2014
Author(s)
N. Nishiyama, F. Wakai, H. Ofuji, Y. Tomemori, H. MURATA, T. Taniguchi, M. Matsushita, M. Takahashi, E. Kulik, K. Yoshida, K. Wada, J. Bendnarick, T. Irifune
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Journal Title
SCIENTIFIC REPORTS
Volume: 4
Pages: 6558-1
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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