温度勾配を持つナノ構造材料における界面拡散駆動変形過程の原子論的解明

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K14042
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 新里 秀平 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (10853202)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ナノ構造材料 / 原子モデリング / 界面拡散 / 温度勾配

Outline of Annual Research Achievements

固体材料においても流体と同じように温度勾配を駆動力とした拡散が起こることは知られているものの，従来のマクロスケール材料においてその影響は無視できるほど小さいものであるとされてきた．しかしながら，材料の寸法スケールをナノスケールまで小さくしたとき，表面や結晶粒界といった界面における原子の拡散が従来の材料と比べて変形に大きく寄与することが明らかになっている．本研究課題では原子モデリング手法を用いて温度勾配を持つナノ構造材料の界面での原子拡散挙動と，それに伴う変形メカニズムの詳細の原子論的解明を目指す．令和3年度は、温度勾配下にあるナノ構造物の表面から結晶粒界への原子の流入のモデル化に取り組んだ。はじめに、基板材との境界に結晶粒界を持つナノワイヤモデルを作成し、モンテカルロ法に基づき結晶粒界とナノワイヤ、基盤材表面との間で原子の移動を試行することで引張荷重を受けるナノワイヤ結晶粒界における原子の流入・流出解析を実施した。その結果、引張荷重の増加に伴い、結晶粒界面への流入原子数が増加することを確認した。続いて、結晶粒界における平均二乗変位の時間変化を古典分子動力学法により求めることで、結晶粒界における原子の拡散性を評価した。この時、粒界面に垂直な方向へ荷重を付加することで、粒界における拡散係数の荷重依存性を評価し、荷重の増加に応じて拡散係数の対数が線形に増加することを明らかにした。その後、結晶粒界への流入速度を定式化し、獲得した拡散係数を用いて原子の流入に必要な時間スケールを見積もることでナノワイヤの成長速度を定量的に予測するモデルを構築した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究課題では、(a)温度勾配により駆動される表面拡散プロセスの解析、(b)結晶粒界面における原子拡散プロセスの解析、(c)界面拡散駆動変形の予測モデルの構築の3つの課題に取り組むことで、温度勾配下での材料変形プロセスの原子論的解明とその予測を行うことを目的としている。令和3年度は(c)界面拡散駆動変形の予測モデルの構築を行うことができたため、おおむね順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度は温度勾配下における材料変形速度のモデル化を行ったが、構築した予測モデルをより精緻にするためには、温度勾配下での界面及び表面拡散の原子論的詳細の解明が不可欠である。今後の研究の推進方策として、当初の研究計画通り、加速分子動力学法をはじめとする時間拡張原子モデリングに基づくシミュレーションを用いた表面・界面原子拡散の温度勾配、荷重依存性の解析を行う予定であり、表面・界面拡散の時間スケールの拡張を効率的に行うための手法、集団変数の定式化の検討を行う。その後、時間拡張原子モデリングにより獲得した熱活性化パラメータ、駆動力などを変形プロセス予測モデルに導入し、予測値を定量的に評価することで、構築した予測モデルの有効性を検討する。

Causes of Carryover

研究課題実施の順番を変更し、当初の予定より大型並列計算機の利用料が少なくなったことと、新型コロナウイルス感染症の影響により、当初予定していた研究打合せのための出張が中止となったため次年度使用額が生じた。令和4年度においては大規模並列計算機の利用料に充てる他、大規模並列計算機の待ち時間にとらわれず研究を円滑に進めるために、令和4年度申請分と合わせて計算機購入のための物品費として使用を予定している。