| 研究課題/領域番号 |
22K04694
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
陳 迎 東北大学, 工学研究科, 教授 (40372403)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | SiO2 / Cristobalite / 第一原理 / 相転移抑制 / bond strength / 局所エネルギー |
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| 研究開始時の研究の概要 |
高性能環境遮蔽コーティングの内部層にあるSiO2を高温から冷却する際に、β-Cristobaliteからα-Cristobaliteへの相転移が起こり、材料が劣化することが実験で知られている。この相転移を抑制することはEBCの開発に重要な課題であり、多種類の結晶構造が有するSiO2の相転移の研究として新しい視点から切り込むチャレンジでもある。本研究は、電子構造とフォノン計算、及び原子の局所エネルギー、原子間結合特性の定量的解析の組合せで、軽元素ドーピングによりSiO2 Cristobalite構造の相安定性、相転移のメカニズムを解明し、Cristobalite構造の相転移抑制の指針を提案する。
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| 研究実績の概要 |
本研究は、第一原理計算に基づいて、EBC酸化保護膜として有望な結晶性SiO2の要素であるCristobalite構造に着目して、Cristobalite構造のβ-α相転移を抑制する指針が得ることが目的とした。研究の2年目には、Cristobalite の基礎計算を踏まえて、Cristobalite 関連相に対する窒素dopingを中心として計算を行い、主な結果は以下になる。
(1) β-Cristobalite、a-Cristobaliteとa-QuartのSupercellにsingle N, pair N2、single N, N-N-O vacancyのクラスターの数種類の配置に対して形成エネルギーを計算した。pair N2の置換で、Si-N-N-Si-O のRing を形成するβ-Cristobalite 構造が他の構造より明らかに体積が小さくなり安定化することが分かった。
(2) 窒素dopingの数種類の配置に対して、電子密度のBader解析を行い、さらに、N-N bond lengthに対する形成エネルギー、緩和エネルギー、N-N pairの原子間相互作用エネルギーを算出して、Si-N-N-Si-O Ringの形成メカニズムを解明した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
3: やや遅れている
理由
計画通りで3年目にN-cluster doping、Bader解析によりEFL分布の計算、N-Npairの結合強度の計算を行った。本課題における主な計算で利用する東北大学金属研究所のスーパーコンピューターのアップグレードのため、2024年9月に運用終了となり、次期システムは2025年6月運用開始のため、予定された一部である他の軽元素 (B.C)-cluster dopingの計算、COHPの計算が遅れた。補助事業期間延長の申請が認められた。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究最後の年の研究計画：
N-cluster doping、他の軽元素 (B.C)-dopingの基礎解析、zeroＫ安定性の解析をおこなう。
各種類のdopingに対して、Bader解析によりEFL (electron local function)分布、COHP (crystal orbital Hamilton population)の計算から得られるbond strengthと局所エネルギー計算による原子間結合強度を比較しながら、窒素N2-ringによるβ-Cristobaliteの相転移抑制効果のメカニズムを解明する。
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