Atomistic grain boundary migration mechanism studied based on direct STEM observation

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14463
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 26010:Metallic material properties-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Feng Bin 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (20811889)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 粒界移動 / 原子分解能直接観察 / セラミックス / STEM

Outline of Final Research Achievements

Grain boundary migration has been reported to govern material properties such as microstructure formation and mechanical characteristics of bulk materials. However, its atomistic mechanism remains unclear. In this study, we employed a direct observation method of grain boundary migration using a scanning transmission electron microscope (STEM) developed by our research group, to directly observe the grain boundary migration processes at the atomic level in various ceramic materials, and thereby elucidating the fundamental grain boundary migration mechanism. We fabricated symmetrical tilt grain boundaries and doped model grain boundaries in various materials using the bicrystal method, and performed direct observations of their grain boundary migration. Based on these results, we clarified the impact of grain boundary atomic structures and dopant effects on grain boundary migration.

Free Research Field

セラミックス界面工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、これまでブラックボックスであったセラミックス粒界の移動過程を実験的に原子レベルで解明した。その結果、粒界移動が粒界の原子構造に強く依存することが明らかになった。整合性の高い粒界では、粒界原子多面体構造の逐次変化によって移動が進行する。一方、整合性の低い粒界では、粒界移動中に構造が変化せず、界面欠陥の形成を伴う移動メカニズムで進行することが判明した。さらに、Tiなどの不純物の偏析が粒界移動を妨げる効果があることも明らかになった。これらの知見を活用することで、今後高性能セラミックス材料の設計に大きく貢献することが期待される。