2022 Fiscal Year Research-status Report
STEM直接観察に基づいた粒界移動の原子論的メカニズムの解明
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22K14463
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
馮 斌 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (20811889)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 粒界移動 / 原子分解能電子顕微鏡 / セラミックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて、セラミックス粒界移動過程における原子レベル直接観察を試みることにより粒界移動メカニズムの解明を目指す。当該年度はまずバイクリスタル法により、整合性が異なるアルミナ（Al2O3）粒界を系統的に作製した。一連の粒界を対象に、電子ビーム照射とSTEMを高度に融合した観察法を最適化し、粒界移動の直接観察を試みた。
その結果、整合性の異なる粒界では異なる粒界移動挙動を示した。整合性の高いΣ7粒界において、粒界エッジにおける原子列が特定の方向に向かってシャッフルすることで、粒界の移動が発生する。この際、粒界は常にその構造ユニットを変化させながら移動することが観察された。一方整合性の低いΣ31粒界の移動過程において、その一部はΣ7粒界と同様に、粒界エッジ部分の原子が特定の方位にシャッフルすることで粒界移動が発生するが、粒界移動中に界面欠陥（disconnection）の形成も観察された。この際、移動前後で粒界構造は変化せず、移動した粒界と移動していない粒界の間にはdisconnectionが形成される。
次にこのような粒界性格依存性の起源について探求した。本研究では粒界原子構造の幾何学から形成されうるdisconnectionのバーガスベクトルと相対エネルギー差を計算し、実験結果と比較した。その結果、disconnectionエネルギーが低い場合のみ、粒界移動中にdisconnectionが形成される。一方disconnectionエネルギーが高い場合、disconnectionが形成されず、原子カラムシャッフリングにより粒界構造が変化しながら移動することが明らかになった。
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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
本年度は当初計画通り、Al2O3粒界移動挙動における構造依存性に着眼し、研究を推進した。電子ビーム照射とSTEMを融合したSTEM観察条件を最適化し、異なる性格を有するAl2O3粒界移動過程の直接観察に成功した。さらに粒界移動挙動とdisconnectionエネルギーとの相関性を検討し、粒界移動における構造依存性の起源を解明した。また、一連の結果は既に国際学術論文に掲載されており、国内外の学会にて発表している。以上により、本研究は順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度には、まず異種元素偏析が粒界移動に及ぼす影響について解析する。実用セラミックス材料は通常微量の異種元素を添加し、材料の微細組織を劇的に変化させることができるため、異種元素は粒界移動挙動に大きな影響を与えると予測される。本研究では、Al2O3の粒成長挙動に異なる作用をするドーパント（TiとSi）を選択し、TiおよびSiが偏析したAl2O3モデル粒界をそれぞれ作製し、粒界移動過程を直接観察し結果を比較することで、異種元素偏析の効果について解析する。また、SrTiO3やZrO2モデル粒界を作製し、粒界移動直接観察を行うことで、セラミックス粒界移動に共通する普遍的なメカニズムを探求する予定である。
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