Three Dimensional Visualization of the Formation Process of the Mille-Feuille Structures Based on Atomic Resolution Holography

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Materials science on mille-feullie structure -Developement of next-generation structural materials guided by a new strengthen principle-
• Project/Area Number: 21H00099
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 木村 耕治 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20772875)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 蛍光X線ホログラフィー / ミルフィーユ構造 / Mg合金

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、ブリッジマン法によって新たに育成された希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6単結晶合金を対象として大型放射光施設SPring-8にて蛍光X線ホログラフィーを実施した。通常よりも、測定時間をかけて質の高いデータの取得を行った。これによりZnおよびYまわりの３次元原子配列を可視化することができた。A02班内の緊密な連携により、電子顕微鏡観察や電子エネルギー損失分光法、硬X線光電子分光法も組み合わせることで、ZnとYが形成するクラスター構造や電子状態を明らかにした。特に、従来の高濃度合金Mg75Zn10Y15などに形成されるZn6Y8クラスターとは異なる、希薄系特有のZn3Mg3Y8クラスターの形成を見出すことができた。このクラスターにより、希薄系においてもミルフィーユ構造の形成とキンク強化がなされ、高濃度合金と同等の力学特性を発現すると考えられる。現在、第一原理計算も含め、論文化を進めている。
また、蛍光X線ホログラフィーの結果と合わせてより詳細なクラスタ―構造を導出するため、光電子ホログラフィーによる同合金の解析にも取り組んでいる。これにより、化学状態を分離した解析を試みている。本年度は、表面酸化膜を取り除くためのエッチング処理や真空中でのスパッタリングなどの手順を確立し、Mg、Zn、Yのホログラムパターンを得ることに成功した。この結果に関しても、現在、Zn6Y8クラスターやZn3Mg3Y8クラスター構造から得れらるホログラムターンとの比較を行っているところである。

Current Status of Research Progress

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

Reason

希薄Mg-Zn-Y合金の蛍光X線ホログラフィーにおいて、非常に質の高いデータを得ることができた。また、光電子ホログラフィーで問題となっていた表面酸化膜の除去に関しても、エッチングやスパッタリングの手順や条件を確立し、明瞭なホログラムパターンを確認できた。以上より、計画は順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後は、熱処理を施してあえて力学特性を低下させた希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6単結晶試料の蛍光X線ホログラフィー測定を実施する。これにより、力学特性と溶質原子の配列との相関を明らかにする。さらに、光電子ホログラフィーの解析を進め、より精密なクラスター構造モデルの導出を行う。

Research Products

• [Journal Article] Significant displacement of calcium and barium ions in ferroelectric (Ba0.9Ca0.1)TiO3 revealed by x-ray fluorescence holography (2022)
  • Author(s): Y. Yamamoto, K. Kawamura, H. Sugimoto, A. Gadelmawla, K. Kimura, N. Happo, H. Tajiri, K. G. Webber, K. Kakimoto, and K. Hayashi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 120 Pages: 052905
  • DOI: 10.1063/5.0076325
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Element-selective local structural analysis around B-site cations in multiferroic Pb(Fe1/2Nb1/2) O3 using x-ray fluorescence holography (2021)
  • Author(s): K. Kimura, D. Urushihara, R. Kondo, Y. Yamamoto, A. K. R. Ang, T. Asaka, N. Happo, T. Hagihara, T. Matsushita, H. Tajiri, H. Miyazaki, K. Ohara, M. Iwata, and K. Hayashi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 104 Pages: 144101
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.144101
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーを用いた希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6合金のドーパント周り局所構造解析 (2022)
  • Author(s): 木村耕治、江草大佑、宮崎秀俊、萩原幸司、 八方直久、松下智裕、阿部英司、林好一
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 希薄Mg-Zn-Y合金のZn/Y配列： 蛍光X線ホログラフィーによる構造解析 (2022)
  • Author(s): 木村 耕治、江草 大佑、阿部 英司、宮崎 秀俊、佐藤 庸平、板倉 充洋、 萩原 幸司、山本 裕太、Ang Artoni、八方 直久、松下 智裕、林 好一
  • Organizer: 日本金属学会 第170回講演大会
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーで解き明かす結晶中のドーパント構造 (2022)
  • Author(s): 木村耕治
  • Organizer: 第10回クリスタル科学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによる 希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6合金のZn-Yクラスター構造解析 (2022)
  • Author(s): 木村耕治、江草大佑、宮崎秀俊、萩原幸司、 山本裕太、Artoni K.R. Ang、八方直久、松下智裕、阿部英司、林好一
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会
• [Presentation] 蛍光X線ホログラフィーによる希薄Mg99.2Zn0.2Y0.6合金の局所構造解析 (2021)
  • Author(s): 木村 耕治, 江草 大佑, 阿部 英司, 萩原 幸司, 宮崎 秀俊, 山本 裕太, Artoni Ang, 八方 直久, 松下 智裕, 林 好一
  • Organizer: 日本金属学会 2021年 秋期 第169回講演大会
• [Presentation] Attempt to Apply X ray Fluorescence Holography to a Grain of Mille-Feuille Structure Mg Alloy (2021)
  • Author(s): Koji Kimura, Daisuke Egusa, Hidetoshi Miyazaki, Artoni Ang, Seiji Kashima, Yuta Yamamoto, Naohisa Happo, Tomohiro Matsushita, Eiji Abe, and Kouichi Hayashi
  • Organizer: 12th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications
  • Int'l Joint Research