2020 Fiscal Year Research-status Report
Precise prediction of solute nanoclusters and creation of new functional materials based on them
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20K05058
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
榎木 勝徳 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60622595)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / クラスターサイエンス / i-s 相互作用 / ハード磁石材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高い特性を担う磁性材料の開発を目的として、第一原理計算に基づく原子スケールでの組織予測とその結晶構造から予測される物性値をもとに材料探索を行う。
本年度は、フェライト鉄中に溶質原子からなる特異な溶質原子ナノクラスターが生成する可能性がある添加元素の選別を行った。特に 周期律表の Fe よりも小さな族の遷移金属元素は窒素の近傍に存在する傾向が強く、またそれらがつくるクラスターは層状の形状をもつ傾向があることがわかった。この結果から、鉄中における置換型溶質原子と窒素の相互作用を効率的に評価することで、クラスターを形成しやすい元素の選別が行えると考え、本年度はさらに、置換型溶質原子と窒素との実効的な相互作用を評価する手法の開発を行った。具体的は、化学ポテンシャル法に基づくモンテカルロ法を利用して、拡散対実験を模倣した組織シミュレーションを行い、置換型原子を含む系と含まない系との平衡窒素濃度を評価することで、置換型溶質原子と窒素の相互作用の導出を行った。それらの結果を実験により推定されている相互作用と比較した結果、実験による相互作用をよく再現する結果を得た。この成果を 2020 年度の鉄鋼協会秋季講演大会にて報告した。
また、板状のクラスターを形成する Fe-M-N 三元系では、共通して Fe2MN 組成の層状化合物が準安定基底状態として存在することを確認した。本年度はそれらの金属間化合物の磁気モーメントおよび結晶磁気異方性エネルギーを第一原理計算から評価した。その結果、これらの化合物の中で垂直磁気異方性が現れる系が複数存在することを確認したが、既存の磁石を超えるような特性をもつものは確認できなかった。
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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
2020年度は予め計画していた溶質元素の組み合わせを変えた系における合金中のクラスター形成の傾向予測は順調に遂行できた。また、学理的にも実験と比較し得る溶質原子間の相互作用が重要になるが、拡散対実験を模倣した組織シミュレーション法の開発を行い実効的な溶質原子間の相互作用の評価を新たに行うツールを作成した。以上の理由より、本課題の研究は順調に進められていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで計算した中で、既存の磁石を超えるような高い特性をもつ磁石候補の発見には至らなかったが、2021年度は、元素の組み合わせの選択の幅を広げてより特性の高い合金の候補を探索する。また、2020年度はボールミルによる試料作成も試行し、合成実験が行える環境を整えることができた。2021年度は、バルク試料での実験も並行して実施し計算による組織や磁気特性の比較および考察を行う。
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