2019 Fiscal Year Research-status Report
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18K04677
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
藤田 伸尚 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (70431468)
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2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 近似結晶 / 準結晶 / 構造安定性 / 合金状態図 / 結晶構造解析 / 原子半径比 / 荷電子濃度 / 二相共存 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Al-Pd-M1-M2(M1,M2=遷移金属元素)系合金における正20面体準結晶および近似結晶の形成条件に関する実験的調査を前年度に引き続き推進した。本年度は、元素M1/M2の組み合わせとしてCr/Ruに着目し、これらの混合比を変化させての相形成挙動の変化を調べた。特に、Al-Pd-Ru三元系における正20面体準結晶または高次の近似結晶（P40相）の形成組成を出発点とし、段階的にRuの一部をCrに部分置換した合金試料を作製し、X線回折や電子回折による構造評価に加えてEPMAによる定量的組成分析を行った。その結果、Crが1%程度までは準結晶または近似結晶の単相状態が保持されたが、Cr組成を3%まで増大させると準結晶または近似結晶を主相（Crを1%程度含有）とする複相試料に転化した。後者の複相試料においては、Crを10％以上含有する未確認相やAl-Pd系δ相が不純物相として観察された。また、近似結晶にCrを1%添加すると短時間の熱処理でファセットを有する単結晶粒が容易に形成し、構造安定性の著しい向上が示唆された。このことから、準結晶および近似結晶の構造規則度が微量のCr添加により向上することが期待されるので、今後、Crをわずかに含有する良質の準結晶および近似結晶の単結晶粒を育成しX線構造解析を行う予定である。一方で、Cr置換による構造安定化の物理的要因は自明ではない。
以上に加えて、本年度はCd-Mg-RE（RE=希土類元素）系における正20面体準結晶および立方晶近似結晶の相形成に関する詳細な調査研究を行った。その結果、希土類元素種の違いによる準結晶や近似結晶の形成組成域の系統的変化を明らかにし、これらの相の安定性が希土類とCd/Mgの原子半径比による原子充填効率と強く相関していることを明らかにした。また、当該調査によって見出された2/1近似結晶の結晶構造解析を行った。
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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
Al-Pd-M1三元系およびAl-Pd-M2三元系合金(M1、M2=遷移金属元素)における複雑合金結晶の形成挙動が大きく異なる場合、Al-Pd-M1-M2四元系合金においては価電子濃度や原子充填効率などのバランスの下で新規の複雑合金結晶が形成する可能性がある。初年度および本年度にわたって、M1/M2として周期律表の縦方向の組み合わせFe/Ru、および横方向の組み合わせCr/Ruに着目し、元素混合比を段階的に変化させた場合の相形成挙動を調べてきたが、四元系にしたことによる新規相の形成は確認できていない。その一方で次の知見を得た。（１）Fe/Ruの同族元素の組み合わせでは、Ru側で形成するP40相（高次の近似結晶）とFe側で形成するC相（低次の近似結晶）が中間域で二相共存状態を実現する。（２）Cr/Ruの組み合わせの場合、Cr側で安定な近似結晶が不在であるにもかかわらず、Ru側で形成するP40相の安定性が1%程度のCr置換により向上し、規則度の高い試料が容易に得られた。Cr置換が安定性を向上させる要因は明らかではないが、複雑合金結晶の構造安定性を理解する上で示唆的かつ重要な知見と考えられる。Cr置換による構造や熱力学的性質の変化に加え、材料特性（強度等）の変化についても検討を進めていく価値がある。
以上のように実験課題は順調に進んだが、研究室の体制に想定外の変化が生じたため対応に追われ、理論課題として提案した第一原理計算による構造安定性の定量的評価を進める時間が大幅に減少した。その代わり、Cd-Mg-RE三元系合金における複雑合金結晶の相形成挙動についての調査研究に参画する機会を得、責任著者として論文を出版することができた。後者の合金系を新たに本研究の調査対象に含めることとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
Al-Pd-Ru三元系合金において形成する複雑合金結晶（正20面体準結晶および高次の近似結晶＝P40相）の安定性が、RuをCrで1%程度まで部分置換することで著しく向上することが分かった。今後、Crを1%添加した良質の単結晶試料を作製し、X線回折データの取得と結晶構造解析を進める。Cr置換により結晶構造に生ずる変化、特にCrが優先的に置換する原子サイトや格子定数の変化を明らかにし、Crが安定性の向上に果たす役割について考察する。また、Cr置換の有無による融点の違いや、材料特性の変化についても調査を検討する。また、第三元素としてFe/Mnの組み合わせによる複雑合金結晶の相形成の調査にも着手する。
以上と並行して、関連する合金系で形成することが分かっている複雑合金結晶の構造モデルを仮定した第一原理計算を行い、構造安定性の結晶構造依存性や特定サイトの元素置換による安定性の変化を比較検討する。
さらに、本年度から調査研究を開始したCd-Mg-RE系複雑合金結晶に関連して、本研究で見出された新規2/1近似結晶に対する結晶構造解析を完了し、得られた成果を論文として出版する。
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| Causes of Carryover |
欧州での国際会議参加のための旅費が想定より割安に済んだことや、年度末の学会参加が感染症流行の影響によりキャンセルされたことにより旅費が抑制され、前年度未使用額プラスアルファの未使用額が次年度以降に持ち越された。
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[Presentation] Magnetic properties of Icosahedral quasicrystals and their cubic approximants in Cd Mg RE (RE = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) systems2020
Author(s)
Farid Labib, Daisuke Okuyama, Nobuhisa Fujita, Tsunetomo Yamada, Satoshi Ohhashi, Taku J. Sato, An Pang Tsai
Organizer
第24回準結晶研究会
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