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セラミックス粒界の局在量子構造

研究課題

研究課題/領域番号 12130202
研究種目

特定領域研究

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関東京大学

研究代表者

山本 剛久 (2004)  東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教授 (20220478)

佐久間 健人 (2000-2003)  東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (50005500)

研究分担者 幾原 雄一  東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (70192474)
松永 克志  東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (20334310)
山本 剛久  東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教授 (20220478)
吉田 英弘  東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助手 (80313021)
PEZZOTI Giuseppe (PEZZOTTI Giuseppe)  京都工芸繊維大学, 工芸学部, 教授 (70262962)
研究期間 (年度) 2000 – 2004
研究課題ステータス 完了 (2004年度)
配分額 *注記
93,400千円 (直接経費: 93,400千円)
2004年度: 10,500千円 (直接経費: 10,500千円)
2003年度: 22,200千円 (直接経費: 22,200千円)
2002年度: 34,900千円 (直接経費: 34,900千円)
2001年度: 25,800千円 (直接経費: 25,800千円)
キーワード局在量子構造 / 粒界 / 電子状態 / 双結晶 / 高分解能観察 / アルミナ / ジルコニア / チタン酸ストロンチウム / 高温強度 / 粒界構造 / 高分解能像 / 酸化亜鉛 / クリープ特性 / HRTEM / 粒界電気特性 / セラミック / 量子状態 / 微細構造 / 電子顕微鏡 / 粒界すべり / 点欠陥 / 粒界電気的特性 / セラミックス / 局所量子構造 / 結晶粒界 / 力学的特性 / 電気的特性
研究概要

種々のセラミック材料の機能特性は、粒界原子構造に基づいて形成される粒界局在量子構造と密接に関係する。本研究では、構造用セラミックスであるアルミナやジルコニア、また、機能性セラミックであるチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)などの双結晶を作製し、粒界原子構造・電子状態と機械的・電気的特性との相関性を系統的に調べ、粒界量子構造設計に関する設計指針を構築することを目的とした。
構造材については、アルミナ双結晶において極微量のイットリウム添加により高温粒界すべりが大きく抑制されることが見出された。粒界における電子状態分析を行ったところ、添加されたイットリウムが粒界における共有結合性を向上させていることが明らかとなり、添加剤による粒界電子状態制御により高温機械的特性を調整できることを突き止めた。ジルコニアにおいては主に小角粒界において形成される粒界転位構造を調べた。その結果、安定化材として添加されているイットリウムは粒界転位へ偏析し、その結果、粒界がファセット状となることが見出された、このファセット形成は高温での粒界強度と密接に関係することが分かった。一方、電子材料においては粒界転位の組織を厳密に制御することにより特異な電気特性が発現することが見出された。これは、ある傾角において転位配列が特殊な構造をとるためであり、粒界部に形成される高い応力場により粒界近傍への陽イオン空孔の集積が顕著となるためであると考えられる。ZnOについては粒界静電ポテンシャル障壁の障壁高さが粒界に偏析したPr量に依存して変化し、偏析量が多いほど高い障壁が形成されることが明らかとなった。

報告書

(5件)
  • 2004 実績報告書
  • 2003 実績報告書
  • 2002 実績報告書
  • 2001 実績報告書
  • 2000 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2005 2004 その他

すべて 雑誌論文 (6件) 文献書誌 (30件)

  • [雑誌論文] HRTEM study on grain boundary atomic structures related to the sliding behavior in alumina bicrystals2005

    • 著者名/発表者名
      Katsuyuki Matsunaga 他
    • 雑誌名

      APPLIED SURFACE SCIENCE 241・1-2

      ページ: 75-79

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] A modern approach to control grain boundaries in ceramics2004

    • 著者名/発表者名
      Taketo Sakuma 他
    • 雑誌名

      MATERIALS SCIENCE FORUM Part 1-2

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Superplastic flow stress and electronic structure in yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals doped with GeO2 and TiO22004

    • 著者名/発表者名
      Akihide Kuwabara 他
    • 雑誌名

      ACTA MATERIALIA 52・19

      ページ: 5563-5569

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Structure, energy and solute segregation behaviour of [110] symmetric tiltgrain boundaries in yttria-stabilized cubic zirconia2004

    • 著者名/発表者名
      Naoya Shibata 他
    • 雑誌名

      PHILOSOPHICAL MAGAZINE 84・23

      ページ: 2381-2415

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] Identification of native defects around grain boundary in Pr-doped ZnO bicrystal using electron energy loss spectroscopy and first-principles calculations2004

    • 著者名/発表者名
      Yukio Sato 他
    • 雑誌名

      APPLIED PHYSICS LETTERS 84・26

      ページ: 5311-5313

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [雑誌論文] High-temperature grain boundary and grain boundary energy in cubic sliding behavior zirconia bicrystals2004

    • 著者名/発表者名
      Hidehiro Yoshida 他
    • 雑誌名

      ACTA MATERIALIA 52・8

      ページ: 2349-2357

    • 関連する報告書
      2004 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida: "High-temperature Grain Boundary Sliding Behavior and Grain Boundary Energy in Cubic Zirconia Birystals"Acta Mater.. 印刷中. (2004)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida: "XAFS Study on the Fine Structure of Lutetium Segregated at Grain Boundaries in Fine-grained, Polcrystalline Alumina"Phil.Mag.. 印刷中. (2004)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] K.Nakatani: "The Effect of Grain Boundary Segregation on Superplastic Behavior in Cation-Doped 3Y-TZP"Scripta Mater.. 49. 791-795 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] K.Matsui: "Cubic-formation and Grain-growth Mechanism in Tetragonal Zirconia Polycrystal"J.Am.Ceram.Soc.. 86. 1401-1408 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida: "Small Dopant Effect on High Temperature Plasticity and Grain Boundary Quantum Structure in Oxide Ceramics"Research Advances in Ceramics. 1. 11-23 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida: "Lutetium-doping Effect on the Grain Boundary Diffusional Creep in Polycrystalline Al_2O_3"J.Euro.Ceram.Soc.. 23. 1795-1801 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] 吉田英弘: "粒界量子構造制御による高温セラミック材料の開発"機能材料. 23. 35-42 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida: "Grain Boundary Electronic Structure and High Temperature Plastic Flow in Polycrystalline Al_2O_3"Key Eng.Mter.. 247. 263-266 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] Yukio Sato: "Grain Boundary Dependency of Nonlinear Current-Voltage Characteristics in Pr and Co doped ZnO Bicrystals"J.Appl.Phys.. 95. 1258-1264 (2004)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] Fumiyasu Oba: "Current-Voltage Characteristics of Co-Doped Inversion Boundaries in Zinc Oxide Bicrystals"J.Am.Ceram.Soc.. 86. 1616-1618 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] Yukio Sato: "Al-doped ZnO Ceramics Fabricated by Mechanical Alloying and High-Pressure Sintering Technique"J.Mater.Sci.Lett.. 22. 1201-1204 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] Tomohito Tanaka: "First-principles study on structures and energetics of intrinsic vacancies in SrTiO_3"Phys.Rev.B.. 68. 205213 (2003)

    • 関連する報告書
      2003 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida, T.Yamamoto, T.Sakuma: "Lutetium-doping Effect on the Grain Boundary Diffusional Creep in Polycrystalline Al_2O_3"J. Euro. Ceram. Soc.. (印刷中). (2003)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida, T.Yamamoto, Y.Ikuhara, T.Sakuma: "A Change in the Chemical Bonding Strength and High-temperature Creep Resistance in Al_2O_3 with Lanthanoid Oxide Doping"Phil. Mag. A. 82. 511-525 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida, Y.Ikuhara, T.Sakuma: "Grain boundary electronic structure related to the high-temperature creep resistance in polycrystalline Al_2O_3"Acta Mater.. 50. 2955-2966 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] Y.Sato, F.Oba, T.Yamamoto, Y.Ikuhara, TSakuma: "Current-Voltage Characteristic across [0001] Twist Boundaries in Zinc Oxide Bicrystals"J. Am. Ceram. Soc.. 85. 2142-2144 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] Yuichi Ikuhara: "Towards New Transmission Electron Microscopy in Advanced Ceramics"J. Ceram. Soc. Jpn.. 110. 139-145 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] Takahisa Yamamoto, Fumiyasu Oba, Yuichi Ikuhara, Taketo Sakuma: "Current-Voltage Characteristics Across Small Angle Symmetric Tilt Boundaries in Nb -Doped SrTiO_3 Bicrystals"Mater. Trans.. 43. 1537-1541 (2002)

    • 関連する報告書
      2002 実績報告書
  • [文献書誌] Y.Ikuhara, H.Yoshida, T.Sakuma: "Impurity effect on grain boundary strength in structural ceramics"Materials Science and Engineering. A319-321. 24-30 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] T.Ymamoto, Y.Ikuhara, T.Sakuma: "Current-voltage Characteristics across 45° Symmetric Tilt Boundary in Highly Donor-doped SrTiO_3 Bicrystal"Journal of Materials Science Letters. 20. 1827-1829 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] 桑原彰秀, 幾原雄一, 佐久間健人: "第一原理分子軌道法による安定化ジルコニアの相安定性評価"材料. 50. 619-624 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] Y.Ikuhara, T.Yamamoto, A.Kuwabara, H.Yoshida, T.Sakuma: "Structure and Chemistry of Grain Boundaries in SiO_2-Doped TZP"Science & Technology in Advanced Materials. 2. 411-424 (2001)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] H.Yoshida, T.Yamamoto, Y.Ikuhara, T.Sakuma: "A change in the chemical bonding strength and high-temperature creep resistance in Al_2O_3 with lanthanoid oxide doping"Philos. Mag.. (印刷中). (2002)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] 吉田英弘, 幾原雄一, 佐久間健人: "耐高温クリープ性アルミナセラミックスの粒界構造と電子状態、印刷中"「電子顕微鏡法の実践と応用写真集」日本鉄鋼協会・日本金属学会. (2002)

    • 関連する報告書
      2001 実績報告書
  • [文献書誌] T.Sakuma: "Grain boundary plasticity in oxide ceramics"Proc.of the 3^<rd> International Conference on Mechanics or Time Dependent Materials ed.By H.Mustedt, Inst.Polymer Materials, Department of Materials Science and Engineering. Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremburg. 12-17 (2000)

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] T.Yamamoto,Y.Ikuhara,K.Hayashi and T.Sakuma: "Microstructure control in BaTiO_3 sinters by a small amount of dopants"Ceram.Trans.,. (in press).

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] Y.Ikuhara,T.Watanabe,T.Yamamoto and T.Sakuma: "An approach to grain boundary design using ceramic bicrystals"Ceram.Trans.,. (in press).

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] N.Shibata,J.Katamura,Y.Ikuhara and T.Sakuma: "AEM study of interface structures related to cubic-to-tetragonal phase transition in zirconia ceramics"Ceram.Trans.,. (in press).

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] K.Hayashi,T.Yamamoto,Y.Ikuhara and T.Sakuma: "Electronic conduction through grain boundary in BaTiO3 positive temperature coefficient thermistor"Ceram.Trans.,. (in press).

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書
  • [文献書誌] T.Yamamoto,Y.Ikuhara,K.Hayashi and T.Sakuma: "Electron transport across boundaries in Nb-doped SrTiO_3 bicrystals"Ceram.Trans.,. (in press).

    • 関連する報告書
      2000 実績報告書

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公開日: 2001-04-01   更新日: 2018-03-28  

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