相変態誘起空孔－新しい原子空孔形成機構の解明とその役割の実証－

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24246105
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 白井 泰治 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20154354)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 杉田 一樹 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30517470)
• Project Period (FY): 2012-05-31 – 2015-03-31
• Keywords: 金属材料 / 原子空孔 / 相変態 / 陽電子消滅

Research Abstract

[研究の目的]金属材料中の原子空孔の形成機構として現在までに知られているのは、ａ．昇温、ｂ．塑性変形、ｃ．粒子線照射、ｄ．化学量論組成からのズレの４種である。本研究では、これまでその存在と役割が見落とされていた全く新しい空孔形成機構“相変態誘起原子空孔”が存在し、拡散速度ひいては相変態プロセスに大きな影響を与えていることを、世界に先がけて実証することを目的としている。上記４種の空孔導入法は、格子欠陥研究の黎明期において既に知られていた。それ以来数十年ぶりに、全く新しい空孔形成機構を日本から世界に提唱しようとするものである。
[Ag-In 合金の内部酸化に伴う原子空孔形成現象の発見] 相変態誘起空孔現象の更なる検証のため、内部酸化により大きな体積膨張が期待されるAg-In 合金について研究を行った。この合金系は内部酸化についての先行研究が多数存在し、内部酸化処理条件を適切に設定できることから、より短期間での研究目的の達成が期待された。具体的にはAg-at1%Inについて400~500℃で内部酸化処理を行った試料について陽電子消滅実験を行い、内部酸化過程での空孔形成を実証した。その結果、世界で初めて内部酸化に伴う相変態誘起空孔の存在を明らかにした。
[空孔周囲の元素分析に成功] 陽電子消滅同時計数ドップラー幅広がり法（CDB法）を用いて、Ag-In合金中の原子空孔周囲の元素分析を行った。その結果、内部酸化に伴って形成された原子空孔がAgとIn酸化物との界面に存在することが世界で初めて示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は新しくAg-In合金の内部酸化過程での原子空孔形成現象を発見した。Agの内部酸化過程ではInの内部酸化によって大きな体積膨張が起こるため、この結果は内部酸化に伴う体積膨張の緩和のために相変態誘起空孔が形成されるという仮説を大きく裏付けるものである。さらに本研究では陽電子寿命法を用いて原子空孔サイズ、原子空孔密度を明らかにし、陽電子消滅同時計数ドップラー幅広がり法を用いて相変態誘起空孔の存在位置を明らかにした。これにより相変態に伴う原子空孔形成の機構について新しい知見が多く得られた

Strategy for Future Research Activity

[実験的検証の継続]
内部酸化に伴う原子空孔形成についてより詳細に検証を行うため、添加元素や添加量を変化させたAg合金の内部酸化過程について陽電子寿命法、陽電子消滅同時計数ドップラー幅広がり法を用いて調査を行い、内部酸化に伴って導入される原子空孔濃度と、原子空孔の存在位置の変化を明らかにする。
[理論的検証]
形成された原子空孔濃度と原子空孔の存在位置の評価を行う。また前年度までに得られた実験結果に基づいて、各形成条件（整合歪、体積歪）と形成された空孔量の関係について定量的に考察を行う。整合歪、体積歪いずれの場合もその歪エネルギーは体積と歪量の2乗に比例することが知られており、このエネルギーと空孔濃度の相関を明らかにする。
上記の結果をもとに、空孔形成条件を明確にし、具体的な空孔形成メカニズムを解明する。さらに相変態誘起空孔形成に伴うエネルギー収支バランスを相変態時の化学エネルギー、歪エネルギー、欠陥エネルギーに分け、定量的に評価し、空孔濃度の評価式を提案する。また整合界面と非整合界面における空孔形成メカニズムの原子的描像を明らかにする。