2015 Fiscal Year Annual Research Report
複雑合金相の構造安定化と原子振動 -透過電子顕微鏡による挑戦-
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15H04141
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
今野 豊彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90260447)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長迫 実 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (30436167)
木口 賢紀 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70311660)
佐藤 和久 大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 准教授 (70314424) [Withdrawn]
嶋田 雄介 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (20756572)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 合金の相安定化 / 振動エントロピー / 透過電子顕微鏡 / 散漫散乱 / 第一原理計算 / ヒュームロザリー相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は電子間化合物（ヒュームロザリー相、HR相）の安定性の起源として、電子状態によるエネルギー論だけではなく、振動エントロピーによる特に高温における相安定化機構を解明することにある。そのため、原子振動や短範囲規則を電子線回折において現れる散漫散乱を格子ダイナミクスと結びつけることにより定量化するとともに、第一原理計算に基づいたポテンシャル内での振動をエントロピーとして抽出し、理論と実験の両面から振動の効果を評価することが研究計画の骨子である。さらに短範囲規則を定量的に評価するためにMg合金に対しても同様の手法を適用することを試みる。
当該年度はまず典型的な HR合金である銅-錫合金を作成し種々の熱処理を行い電子線回折パターンを得た。逆格子空間内のいくつかの方向にストリークが観察され、振動あるいは歪の存在が実験的に確認できた。この過程で従来単相と考えられていた組成と温度において、実は準安定な複数の相が存在していることを新たに見出した。また、実空間における観察という観点からは短範囲に規則化している領域からの高分解能電子顕微鏡像を得ることに成功した。一方、振動エントロピーを計算するためにはまず電子状態を理解し、原子が閉じ込められた空間のエネルギー状態を評価しなくてはならない。このため当該年度は第一原理計算ソフトウェアを導入し、HR相内部のポテンシャル計算を開始した。銅基合金において不定比性を考慮し、いくつかの熱力学的要因下において相安定化に必要なエネルギーを得た。
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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
合金の作製、透過電子顕微鏡による観察が順調に進み、また第一原理計算ソフトウェアの導入も予定通り進行している。特に高角まで試料を回転可能日本電子製 JEM-2000EX、高分解能 STEM を行うための JEM-ARM200F が問題なく稼働しており、本研究における骨格をなす逆空間における振動の定量化に関する実験を進めることができた。また、フォノン分散を求めるための第一原理計算による研究環境も、その第一段階としてのポテンシャルの計算環境立ち上げが終了し、複数の銅基合金系について計算を開始できた。
さらに軽金属を主体とする合金系でもマグネシウム合金における規則化の前駆現象として、変態の極めて初期の段階でのゆらぎの検出を実空間における高分解能観察という形で進め、析出初期過程における合金元素の化学ポテンシャル依存性を明らかにした。今後、この初期の規則化を局所的なフォノンモードの安定化という観点から解釈するために、やはり振動モードの計算が必要である。この観点はこの合金系においては従来にない考え方であり、本研究の新たな骨子として進めていく予定である。
一方、当初予定していなかった単相領域における複数の準安定相の出現の起源に関しては、まず構造を確認したうえで収束電子線回折などの局所領域からの情報抽出が必要であることが判明し、この系に関しては界面エネルギーの効果も加味したうえで、相安定化機構を説明する必要がある。すでに電子線回折による方位関係の精査は済んでおり、全体として問題なく研究は進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
振動エントロピーの評価という観点から、初年度に立ち上げたポテンシャル計算環境をさらに拡張し、振動モードの計算を行い、さらに得られたフォノン分散を積分することにより振動エントロピーを評価できるシステムを立ち上げることが必要である。すなわち、密度汎関数法に基づいた VASPプログラムにより電子状態を得、原子間に働く力を求めた後、格子全体の振動特性を求める。最後に得られたフォノン分散を原子位置のずれに反映させることにより、既存のソフトウェアを用いて散漫散乱強度をシミュレーションする。
次に高温での相安定化機構を評価するために透過電子顕微鏡内でのその場加熱実験を行う。これら一連のフォノン分散に関する計算とそれぞれの温度域における散漫散乱測定から、銅基合金系に出現する異なった結晶構造の構造安定性を解明する。特にに臨界点付近の振る舞いを調べる。たとえば Cu-Sn系のδ相は約600ºC においてγ相とζ相とに分解するが、この臨界温度近傍におけるゆらぎを散漫散乱として検出することを試みる。そして、相変態前後の巨視的なゆらぎをフォノン分散の観点から理解する。
また、透過電子顕微鏡を用いた実験的手法という観点からは、上記の逆空間内の観察だけではなく、原子振動の実空間観察を並行して進める。すなわち、走査型透過電子顕微鏡（STEM）による高角円環状検出器暗視野（HAADF）観察を高温にて行うことにより特定の原子カラムの振動を検出する。特にSTEM-HAADF の信号に寄与する電子は熱散漫散乱電子（TDS）であることを利用して、原子振動の直接マッピングを試みる。こちらの観点は STEM-HAADF像のシミュレーションと密接な関係をもち、既存の像計算ソフトウェアで対応する。
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