2021 Fiscal Year Annual Research Report
Atomistic study of deformation twinning based on direct observations
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20H02421
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
栃木 栄太 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (50709483)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 双晶 / その場観察 / TEM/STEM / 機械試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度の主な成果は以下の通りである。
(1)サファイヤにおける菱面双晶の原子挙動解析：サファイヤ(α-Al2O3)単結晶における{1-102}<-1101>菱面双晶に関して、前年度までに行った第一原理分子動力学法による原子挙動シミュレーションを精査し、双晶の素過程に対応する5つの原子の協調的な運動（シャッフリング）の軌跡を得た。始状態から終状態に至る変位は<-1101>方向もしくは<1-210>方向への単一方向に生じており、幾何学的に予測される変位とほぼ同等であった。しかし、シャッフリング時には各原子は3次元的に運動しており、エネルギー的に安定となるような相対位置を取りながら進行していることが示唆された。双晶メカニズムの解明には、今後この原子挙動に関わるパスとエネルギーの関係を明らかにすることが重要であると考えられる。
(2) fcc金属における{111}双晶の原子レベルその場観察実験：MEMS荷重負荷デバイスならびに走査透過型電子顕微鏡（STEM）を用いたその場観察実験により、fcc金属の変形挙動を原子分解能にて観察できることが明らかとなった。シュミット因子を考慮して試料方位を調整することにより部分転位対の運動による{111}すべりもしくは先頭部分転位(leading partial dislocation)の運動による{111}双晶の2つの変形モードをある程度制御することが可能となった。{111}双晶の観察においては、先頭部分転位のlayer-by-layerの運動による成長過程や母相－双晶界面上の部分的な回復現象が認められた。本実験事実に基づいて詳細なメカニズムの検討を進めている。
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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
その場透過型電子顕微鏡荷重負荷試験により双晶の形成過程を確認できており、今後の研究展開が期待できるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、(1)その場TEM機械試験システムの最適化、(2)双晶の原子レベル動的挙動観察、(3) 理論計算による双晶挙動の原子レベル解析を主たる研究項目として実施する。詳細は以下の通りである。
(1)その場TEM機械試験システムの最適化：これまでに開発してきたその場TEM機械試験システムの制御性や機能の充実を図るため、動作状況および実証実験の結果を踏まえ、主に制御機器やソフトウェアの改修・調整を進める。特にリアルタイム性が重要なその場観察実験の特性を踏まえ、自動記録機能、各種フィードバック機能、機能的なユーザーインターフェースの構築等を行う。
(2)双晶の原子レベル動的挙動観察：fcc金属を中心としてその場TEM機械試験を実施し、変形双晶の核生成・成長挙動を原子レベルで観察する。第一に準静的な原子レベルその場TEM荷重負荷実験を行う。負荷荷重を精密に制御することにより局所な領域において双晶核を生成させ、その際の構造や負荷荷重、局所的なひずみ状態等を計測する。さらに荷重を増加・減少させることで、双晶核の成長・収縮に伴う原子挙動を観察し、双晶の核生成・成長メカニズムを明らかとすることを目指す。
(3)理論計算による双晶挙動の原子レベル解析：Al2O3の菱面双晶の素過程に対応するシャッフリング時の原子変位について詳細な解析を行い、原子変位パスとエネルギー的な相関性の検討を進める。このことにより双晶モードの選択性や双晶変形に関する原子論的メカニズムを探究する。
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