| 研究課題/領域番号 |
21H01607
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26010:金属材料物性関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
佐原 亮二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, グループリーダー (30323075)
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| 研究分担者 |
成島 尚之 東北大学, 工学研究科, 教授 (20198394)
上田 恭介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40507901)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)
2023年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2022年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2021年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
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| キーワード | 第一原理計算 / 計算状態図 / 全電子GW計算 / バンドギャップ / 可視光応答型光触媒 / アナターゼ / 計算材料科学 / チタン表面酸化 / 分子解離 / 酸化速度定数 / チタン / 表面酸化 / プロセスインフォマティクス / 機械学習モデル / 表面化学反応 / 理論状態図 / 電子励起ダイナミクス / チタン合金 / 耐熱材料 / 酸化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の目的は、高温酸化、腐食、水素(脆) 化プロセスなど耐熱材料表面における化学反応を制御するための基礎的な知見を得て、今後の材料開発に資することである。そのため、密度汎関数理論に基づく第一原理計算と統計力学的手法などの計算材料科学を主として、実験・機械学習との連携により、チタン合金、耐熱鋼、ニッケル合金などに代表される耐熱材料の表面化学反応の初期メカニズムを、原子・電子レベルから理論的に解明する。必要に応じて時間依存密度汎関数理論(TDDFT) による電子励起状態を考慮したダイナミクスシミュレーションをおこない、分子解離に寄与する励起状態の特定や周囲の環境と反応性の関係などを明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
Ti-Ni-Al三元系について、第一原理計算のみで状態図作成を進めた。自由エネルギーは、電子系のエネルギー(０ケルビン)、混合エントロピーの寄与、格子振動の寄与、電子の熱励起の寄与、スピンオーダリングの寄与として評価した。本研究では混合エントロピーの寄与はBragg-Williams近似で、格子振動の寄与は調和近似で、電子の熱励起の寄与は電子の状態密度から評価した。固溶体のランダム原子配置にはSQS(Special Quasirandom Structure)モデルを導入した。得られた状態図は全体的な傾向として実験を良く再現できている。今後の課題として、不安定相のフォノン計算や液相について、より良い評価方法を検討する必要がある。
光触媒材料であるアナターゼ型酸化チタン(TiO2)はバンドギャップ(Eg)がUV域に対応しているが、炭素(C)や窒素(N)などの元素添加により可視光応答化する。その応用として可視光応答型抗菌機能を有する生体材料開発が挙げられる。本年度は、全電子GW計算を用いて複数の欠陥種からなるC, N添加アナターゼ型TiO2モデルについて電子状態解析をおこない、Egの定量評価およびEg狭窄メカニズムを明らかにした。アナターゼにC, Nを単体であるいは共添加し且つ酸素空孔を導入した様々なモデルを構築し、DFTにより形成エネルギーを評価して、相安定性を求めた。相安定性は700 Kにおいて酸素化学ポテンシャルまたは酸素分圧の関数で整理した。得られた安定なモデルについて、全電子GW計算により電子状態を解析した。全電子GW計算にはTOMBO (TOhoku Mixed Basis Orbitals ab initio program)を用いた。その結果、C, N共添加モデルは中程度の酸素分圧におけるC, N共添加モデルは可視光応答型光触媒として最も有望であることを示した。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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