セラミックス粒間に働くファン・デル・ワールスカの理論計算と実験的検証

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08455302
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 田中 功 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教授 (70183861)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中平 敦 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 助教授 (90172387) ; 足立 裕彦 京都大学, 工学研究科, 教授 (60029105)
• Keywords: 窒化ケイ素 / 炭化ケイ素 / 電子顕微鏡 / EELS / 分子軌道計算

Research Abstract

セラミックス界面では,ファン・デル・ワールス(vdW)力が、表面間の距離の逆2乗に比例する長範囲ポテンシャルを与える.従って,原子間の結合距離を超えるような,10Å程度のスケールになると,静電力とともに重要な寄与を示すようになる.この長範囲のvdW力の存在そののものについては1930年代から知られており,コロイド科学の分野では,確立された概念であった.これをD.R.Clarkeは,セラミックス粒界のガラス層の問題に適用できることを1985年に初めて指摘した.本研究の代表者の田中は,このD.R.ClarkeとM.Ruhleらと共同して,窒化ケイ素の粒界ガラス層の厚みを高分解能電子顕微鏡で実測することにより,窒化ケイ素の粒界間のvdW力を評価することに世界で初めて成功し,粒界不純物の粒界挙動に及ぼす影響を定量的に議論した.本研究は,この延長線上に位置づけられ,以下の2点を目的として行われた.
1)界面vdW力の理論計算と実験的検証
vdW力の起源となる価電子帯から伝導帯へのバンド間遷移スペクトルの計算をDV-Xα法で行い,これと平行して行う実験結果と比較検討する.(Si3N4系とSiC系)
2)焼結体中の粒界厚み測定
Si3N4系とSiC系の高純度標準サンプルについて,高分解能電子顕微鏡による粒界厚み測定実験を行う.
その結果,vdW力の起源となる価電子帯から伝導帯へのバンド間遷移スペクトルの計算をDV-Xα法で行うアルゴリズムを構築し,vdW力の理論的見積もりを行うことに成功し,また高分解能電子顕微鏡法による実験により,多くの新しい知見を得た.

Research Products

• [Publications] I.Tanaka: "First Principles Molecular Orbital Calculation of Electron Energy Loss Near Edge Structures of α-quartz" J.Phys.D.29. 1725-1729 (1996)
• [Publications] H.Gu: "Structure and chemistry of intergranular films in Ca-doped Si_3N_4" Mater.Sci.Forum. 207-209. 729-732 (1996)
• [Publications] T.Nakayasu: "Electronic Structures of Ln^<3+>α-Sialons with Correlations to Solubility and Solutior Effects" J.Am.Ceram.Soc.79. 2527-2532 (1996)
• [Publications] I.Tanaka: "Calclation of Core-Hole Excitonic Features on Al-L_<23> edge X-Ray Absorption Spectra of α-Al_2O_3" Phys.Rev.B.54. 4604-4608 (1996)
• [Publications] T.Nakayasu: "Local Chemical Bonding around Rare Earth Ions in α and β-Si_3N_4" J.Am.Ceram.Soc.(in press).
• [Publications] I.Tanaka: "Local Chemical Bonding at Grain Boundary of Si_3N_4" Microstructures 96,Plenum press. (in press).