| 研究課題/領域番号 |
23K21036
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| 補助金の研究課題番号 |
21H01612 (2021-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2021-2023) |
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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 |
井上 和俊 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (60743036)
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| 研究分担者 |
馮 斌 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (20811889)
川原 一晃 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90869570)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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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 |
16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2022年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2021年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
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| キーワード | 粒界 / 走査透過型電子顕微鏡法 / 第一原理計算 / 原子構造 / 酸化物 / 走査透過型電子顕微鏡 / 界面 / 金属 / 走査透過電子顕微鏡法 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は、粒界研究における原子分解能走査透過顕微鏡法(STEM)および理論計算法を、純粋数学の手法により統合し体系化する新しい試みである。粒界原子構造と機能特性の相関性や材料現象の本質を包括的に理解するためには、純粋な幾何学的視点からの理論的アプローチが極めて重要であり数学的知見を基軸として原子分解能STEMと各種分光法を併用した定量的な解析を行う。さらに原子レベルの情報から数学的知見を駆使して粒界最安定構造を決定する要因を特定し、粒界現象の背後に存在する数理構造を抽出する。それを新たな材料設計指針に生かし、3次元粒界構造を制御した新規機能材料の提案を行うことが目的である。
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| 研究実績の概要 |
材料中には無数の格子欠陥が存在し、特に界面の原子構造は機能特性に多大な影響を及ぼすことが知られている。特に粒界は格子整合理論である対応格子理論によって大まかな分類がなされ、同一結晶同士の整合指標はΣ値として広く用いられてきた。しかしながら、異なる結晶同士の整合については整合指標が存在しない。本研究では、異種界面および非整合界面の格子定数を適切に近似することにより、対応格子理論の一般化を試みた。特に、同一結晶同士の整合の場合はΣ値に帰着するような格子整合指標を定義し、種々の格子の組み合わせに対して、整合する場合の相対回転角と対応する整合指標を系統的に求めた。可能な格子の組み合わせをマッピングすることにより、任意の格子定数比の異種界面・非整合界面に対して系統的に整合・非整合を議論することが出来るようになり、効率的なモデリングと材料探索、材料設計指針の立案に貢献できると期待される。
また、上記格子整合理論に基づき、複数の非整合界面について適切なモデリングと構造最適化、および電子状態解析を行った。格子定数の組み合わせによっては周期性に応じて複数のモデルを構築することは可能であり、実材料を再現するには超長周期のモデルが必要な場合がある。しかしながら、短周期構造であれ長周期構造であれ、酸化物の界面では電気特性に関しては顕著な違いが生じないことが示唆された。この知見は計算コストの削減に有用であると考えられる。次年度に、対応するモデル試料を作成し、走査透過型電子顕微鏡観察を併用して結果を総括する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では、異種界面および非整合界面の格子定数を適切に近似することにより、対応格子理論を一般の格子整合理論へと拡張した。特に、任意の整合界面に対して格子整合指標を定義し、整合する相対回転角と対応する整合指標をマッピングした。本研究に基づき、任意の格子定数比の界面に対して系統的に整合・非整合を議論することが出来るようになった点において、おおむね順調に進展していると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
非整合界面の走査透過型電子顕微鏡観察を行い、前年度までの理論計算と併せて結果を総括する。また、計算コストを要する電子状態計算を行い計算精度を向上する。さらに、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学法により系統的な捩り粒界の安定構造スクリーニングを行い、実験像を再現する原子構造の特定に取り組む。粒界偏析が電子構造へ及ぼす影響についても計算を行い、原子構造・偏析元素・電子状態の相関性を明らかにし発現しうる機能性について検討する。
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