固体中に埋め込まれた金属ナノ微結晶の電子構造の陽電子消滅法による解明

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12640334
• Research Institution: TOHOKU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 唐 政 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (80271972)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 湯蓋 邦夫 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (00302208) ; 永井 康介 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (10302209) ; 長谷川 雅幸 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80005975)
• Keywords: 陽電子消滅法 / 埋め込みナノ微結晶 / フェルミ面 / 陽電子親和性捕獲

Research Abstract

材料中に埋め込まれたナノ微粒子は、バルクと大きく異なる性質を持つことが知られているが、その電子状態の測定は非常に困難であるため、ほとんど理解されていない。しかし、最近我々が実験的に初めて見いだした、ナノ微粒子への「陽電子親和性巨大捕獲現象」を用いることによって、ナノ微結晶だけの電子構造を調べることが可能である。本研究の目的は、固体中の金属ナノ微結晶の電子構造を陽電子消滅法による測定と、それに対応する第一原理計算により明らかにすることである。
本研究では、Feマトリックス中のCuナノ微結晶を調べた。具体的には、歪み焼鈍法により作製したFe-Cu希薄合金(Fe-0.1wt%Cu)単結晶を825℃で溶体化処理後水焼き入れし、550℃、0.1時間の熱時効を行い、Cuナノ析出物を作った。バルクのCuはfcc構造であるが、bcc構造のFe中のCuナノ析出物はbcc構造を持つため、フェルミ面の構造はバルクと大きく異なるはずである。作製した試料の陽電子消滅2光子2次元角相関(2D-ACAR)測定を行った。2D-ACAR法は、伝導電子の運動量分布を精度よく測定できるので、陽電子を捕獲するCuナノ微結晶析出物中の電子の運動量分布、すなわち、フェルミ面の構造を明らかにできる。測定の結果、Feマトリックス中のCuナノ微結晶では、そのbcc構造のBrillouinゾーンの形状を反映して、12個のN点にネックを持つことがわかった。バルクCuのフェルミ面は、fcc構造のBrillouinゾーンの8つのL点にネックを持つことが知られているが、それとは大きく異なるフェルミ面構造を持つことが明らかになった。
陽電了消滅実験と平行して、bcc構造のCuのフェルミ面をFLAPW法による第一原理計算も行った。その結果は、2D-ACAR測定による実験結果とよく一致した。
以上により、陽電子消滅法と対応する第一原理計算を用いることによって、他の手段では測定できない、材料中に埋め込まれたナノ微粒子の電子構造が明らかにできることを実証した。

Research Products

• [Publications] Z.Tang et al.: "First-principles calculation of the coincidence Doppler broadening of positron annihilation radiation"Physical Review B. 65. 045108 (2002)
• [Publications] Y.Nagai et al.: "Irradiation-induced Cu aggregations in Fe : An Origin of Embrittlement of Reactor Pressure Vessel Steels"Physical Review B. 63. 134110 (2001)
• [Publications] Z.Tang et al.: "Identification of Vacancy-Oxygen Complexes in Si by Coincidence Broadening of Positron Annihilation Radiation and First-principles Calculations"Material Science Forum. 363-365. 67-69 (2001)
• [Publications] Y.Nagai et al.: "Fermi Surface of Nano Crystalline Embedded Particles in Material - bcc Cu in Fe -"Physical Review Letters. 87. 176402 (2001)
• [Publications] Y.Nagai et al.: "Role of Vacancy-Solute Complex in the Initial Rapid Age Hardening in an Al-Cu-Mg Alloy"Acta Materialia. 59. 913-920 (2001)
• [Publications] T.Onitsuka et al.: "Deformation-Enhanced Cu precipitation in Fe-Cu Alloy Studied by Positron Annihilation Spectroscopy"Physical Review B. 65. 012204 (2002)