2023 Fiscal Year Annual Research Report
核融合発電を志向した材料科学に基づく薄膜ナノ結晶制御法の開発と高強度化への展開
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22H02019
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
寺西 亮 九州大学, 工学研究院, 教授 (70415941)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 昌睦 福岡工業大学, 工学部, 教授 (80346824)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 酸化物超伝導薄膜 / ナノ組織制御 / 薄膜結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、将来の核融合発電を志向し、磁束ピン止め点を超伝導薄膜線材中に導入するための薄膜ナノ結晶の制御法を確立することを研究目的としている。磁束ピン止め点を含んだ薄膜がスパイラル成長する際、化学ポテンシャルの変化は膜成長時のピン止め点の核生成頻度に大きく寄与することから、ピン止め材料の薄膜結晶中での成長方向に与える影響は大きいと考えられる。
初年度では、膜の成長駆動力に寄与する成膜温度を変化させ、得られる試料の微細組織を観察して駆動力との相関を考察した。成膜時の温度を制御した結果、超伝導薄膜中に形成した磁束ピンの成長形態を制御することができ、温度を50℃低くすることで膜中に形成する磁束ピンの直径が約1/3となり（4-6 nm）、その結果として、膜中に形成される数密度を約7倍に高密度化することができた。また、成膜時の温度を変化させることで磁束ピンの膜中での成長方位を変化させることができ、母相のc-軸方向に対して±10°程度傾けて成長させることができた。この磁束ピン結晶の膜中での高密度化及び直径の縮小化は、低温成長に伴う構成種の核生成頻度の向上及び臨界核半径の縮小化に起因していると考えられた。
２年度目は、初年度の薄膜成長時の駆動力に寄与する成膜温度因子の影響を受け、過飽和度に影響を及ぼす成膜因子として「ピン止め点材料の添加濃度」を制御してピン止め点の傾斜成長機構を考察した。磁束ピンの薄膜中への添加濃度を1.5 wt%から5.0 wt%まで増加させることによって、膜中での磁束ピンの数密度として6.5倍程度まで高密度化することができ、組織観察からは膜厚を増加させることによって磁束ピンの膜中での直径がこれまでの13-18 nmから10 nm程度に均質化できることが示された。
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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
初年度では、期間の途中で予期していなかった機器の故障が生じたことで試料作製の実験を数か月ほど進行させられなかったが、修理後は当初予定していた実験内容を進めることができており、2年度目は全体としてはおおむね順調に進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
３年目は、前年度までに得られた実験結果の検証実験を行うとともに、それらの結果から薄膜中でのピン止め点の成長モデルの構築を行う。膜表面の成長界面のピン止め点サイトでは、原子の付着頻度が低下してステップの成長が遅れるものと考えられ、この時、ステップのピン止め効果（ピン止め点の母相の成長抑制効果）が生じるものと推察している。母相のステップ前方の凹部前方での成分の濃化が局所的な過飽和度の増大となり、これがピン止め中心の傾斜成長の駆動力となるものと考えられ、この議論の妥当性を評価しながらモデルを構築する。
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