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2016 年度 実績報告書

高圧・高温プロセスを利用した新しい構造―機能相関の探求

計画研究

研究領域ナノ構造情報のフロンティア開拓-材料科学の新展開
研究課題/領域番号 25106006
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

谷口 尚  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (80354413)

研究分担者 遊佐 斉  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (10343865)
村田 秀信  横浜市立大学, 国際総合科学部(八景キャンパス), 助教 (30726287)
宮川 仁  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (40552667)
吉田 英弘  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (80313021)
研究期間 (年度) 2013-06-28 – 2018-03-31
キーワードナノ構造情報 / 高圧・高温プロセス / 高密度相 / 機能性セラミックス
研究実績の概要

圧力誘起相転移による新規高密度相の探索と新たな機能発現、高圧下でのみ安定な構造(高圧準安定相)の凍結手法の確立を目指した取り組みを、種々の酸化物、窒化物において進めた。
H27年度、熱力学的準安定相であるウルツ鉱型窒化ホウ素(wBN)を高純度六方晶窒化ホウ素(hBN)単結晶からの高圧下マルテンサイト転換により合成した。H28年度、得られた高配向性wBN結晶の機械的特性等を明らかにした。
共有結合性の強い物質において、結晶構造の対称性を高める縮退効果により、主にCBM(伝導帯下端)に大きな変化をもたらし、バンドギャップがナロー化することが提案されている。第一原理計算により、BaSiO3ペロブスカイトが立方晶化する際に、バンドャップが急減することが示唆されたため、高圧下でレーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルにより立方晶BaSiO3ペロブスカイトの存在を確認した。
Ca-Al-O系及びSr-Al-O系結晶とそれぞれの固溶体を高圧合成し、その特性を評価した。更に、常圧・高温下における化学組成、雰囲気および外場(応力場・電場)制御焼結技術を複合的に組み合わせた粒界ナノ領域の制御プロセスにおいて、誘電体からプロトン伝導体、電子伝導体まで、各種金属酸化物の合成、評価を系統的に行い、ナノ構造情報を駆使した領域内での連携に向けて、プロセスとナノ構造を制御しうるパラメータを記述子として抽出することを試みた。

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

高配向性wBN結晶が立方晶窒化ホウ素(cBN)に次ぐ硬度、ヤング率を有すること、同結晶の遠紫外線領域の光学特性(発光、光吸収)を明らかにした。
高圧下の構造相転移により高密度化するが、脱圧過程で低密度相に逆転換することが知られているbaddeleyite型TiO2の相転換機構(準安定相であるα-PbO2型に相転移)を理論的に考察し、その凍結手法を提案した。レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルにより高圧実験をおこない、部分的な構造凍結を確認したが、理論予測に応じた収率は得られていない。
140GPaの高圧下でBaSiO3が六方晶から立方晶へ相転移することを放射光その場観察X線実験で確認したが、常圧へは凍結不可能であることも同時に確認された。
12CaO・7Al2O3(C12A7)結晶と12SrO・7Al2O3(S12A7)結晶の固溶体の酸素イオン伝導度をインピーダンス法で評価した。S12A7焼結体において、YSZを上回る特性が得られ、イオンがケージ間を直接拡散する可能性が示唆された。
更にH27年度に見出した新規物質であるタングステン系複酸化物(NaMgWO4.5、NaCa2WO5.5、NaSr2WO5.5、NaBa2WO5.5結晶)のインピーダンス評価も行い、やはり格子定数が大きい物質、即ち隙間の空間が広い物質ほど高いイオン伝導性を示すことが見いだされた。

今後の研究の推進方策

準安定相であるwBNが凍結できるのは、高圧相転移の際に導入される微細な転位構造によるピンニングの効果と推察される。同様の効果を炭素系材料において展開し新規物性の発現を目指す。
結晶構造の対称性に伴うバンドギャップのナロー化が一般則として成立するかは興味深いところであり、陽イオン半径を変化させたBaSiO3類似物質で、同様の相転移の存在および凍結可能性について、計算科学による出現圧力およびバンドギャップの予測等により連携研究を進める。
C12A7結晶に関しては、理論計算から導出予定の高圧下イオン半径を参考に、金属イオンの包接を試みることで、金属の陰イオンの生成を検証し、またそのイオン半径に関する基礎的な実験データの抽出が可能か検証する。タングステン系複酸化物に関しては、構成イオンの完全置換等を試みることで、同型結晶構造での物質探索を通じて、電子・イオン導電性評価、更には格子定数等、実験データが高圧下イオン半径で解釈されるようにフィードバックされるか検証したい。
高圧準安定相凍結手法開発を目指し、引き続きbaddeleyite型TiO2の合成実験を様々な角度(アニオン、カチオン置換、加圧方式の制御)で進め理論予測の検証を目指す。
常圧・高温下プロセスによる粒界ナノ領域の制御において、各種金属酸化物の合成、評価を行うと共に、情報科学にフィードバックさせるためナノ構造およびプロセス制御の記述子から実際のプロセス実施により、情報科学に則った粒界ナノ領域制御プロセスの確立を目指す。

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 7件、 招待講演 8件)

  • [雑誌論文] High-pressure high-temperature phase relations in FeTiO3 up to 35 GPa and 1600 ºC2017

    • 著者名/発表者名
      M. Akaogi, K. Abe, H. Yusa, T. Ishii, T. Tajima, H. Kojitani, D. Mori, Y. Inaguma
    • 雑誌名

      Phys. Chem. Minerals

      巻: 44 ページ: 63-73

    • DOI

      10.1007/s00269-016-0836-3

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ダイヤモンドアンビルセルによる高圧下放射光X線回折実験の基礎2017

    • 著者名/発表者名
      遊佐斉
    • 雑誌名

      「日本放射光学会誌:放射光」Journal of JSSRR

      巻: 30 ページ: 61-70

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-pressure synthesis of a 12CaO7Al2O3-12SrO7Al2O3 solid solution2017

    • 著者名/発表者名
      M.Miyakawa, K.Kobayashi, T.Taniguchi
    • 雑誌名

      Journal of the American Ceramic Society

      巻: 100 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1111/jace.14743

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Flash-sintering of Magnesium Aluminate Spinel (MgAl2O4) Ceramics2017

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshida, P. Biswas, R. Johnson, M.K. Mohan
    • 雑誌名

      Journal of the American Ceramic Society

      巻: 100 ページ: 554-562

    • DOI

      10.1111/jace.14616

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nanoindentation measurements of a highly oriented wurtzite-type2017

    • 著者名/発表者名
      M. Deura, K.Kutsukake1 Y. Ohno, I. Yonenaga T.Taniguchi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 ページ: 03030-4

    • DOI

      10.7567/JJAP.56.030301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 高圧を用いた5d遷移金属窒化物合成と硬質材料開発2016

    • 著者名/発表者名
      川村史朗, 遊佐斉, 谷口尚
    • 雑誌名

      粉体および粉末冶金

      巻: 63 ページ: 965-969

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Low Temperature Spark Plasma Sintering of Tin Oxide Doped with Tantalum Oxide2016

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshida, K. Morita, B.-N. Kim, K. Soga
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramics Society of Japan

      巻: 124 ページ: 932-937

    • DOI

      10.2109/jcersj2.16133

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles calculations of high-pressure phase transition of TiO2 during decompression: From baddeleyite-type TiO2 to α-PbO2-type TiO22016

    • 著者名/発表者名
      H. Murata, T. Taniguchi, I. Tanaka
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 120 ページ: 142108 1-4

    • DOI

      10.1063/1.4961714

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Crystallization behavior of cubic boron nitride from an amorphous BN precursor via high-pressure high-temperature treatment with controlled water addition2016

    • 著者名/発表者名
      T.Mochizuki, YYamamoto, N.Idota, F. Kawamura, T. Taniguchi, Y. Sugahara
    • 雑誌名

      J. European Ceram. Soc.

      巻: 36 ページ: 3565-3569

    • DOI

      DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2016.06.027

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 超高圧下の物質合成技術2016

    • 著者名/発表者名
      谷口尚
    • 雑誌名

      フルードパワーシステム

      巻: 47 ページ: 222-225

    • 査読あり
  • [学会発表] 蛍石関連構造を有する二酸化チタンの減圧過程における相転移2017

    • 著者名/発表者名
      村田秀信,谷口尚, 田中功
    • 学会等名
      日本物理学会2017年年次大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス、大阪
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] W-N系における超硬物質探索2017

    • 著者名/発表者名
      遊佐斉, 川村史朗, 谷口尚, 亀卦川卓美, 平尾直久
    • 学会等名
      2016年度量子ビームサイエンスフェスタ
    • 発表場所
      つくば国際会議場,つくば市
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [学会発表] Field-assisted sintering and flash sintering of oxide ceramics: special role of grain boundaries2017

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 目義雄, 山本剛久
    • 学会等名
      the IMR-NIMS- KIMS Joint Symposium
    • 発表場所
      Ramada Plaza Jeju(韓国)
    • 年月日
      2017-02-14 – 2017-02-17
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Doping Effect on Low Temperature Spark Plasma Sintering of Yttrium Oxide2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 目義雄, 山本剛久
    • 学会等名
      第26回日本MRS年次大会
    • 発表場所
      横浜情報文化センター(日本)
    • 年月日
      2016-12-19 – 2016-12-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electric current-assisted sintering of yttrium oxide ceramics: special role of grain boundary nanostructure and chemistry2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 目義雄, 山本剛久, Jean-Marie Lebrun, Rishi Raj
    • 学会等名
      International conference on ceramics, glass and refractories - emerging innovation
    • 発表場所
      CSIR-IICT auditorium(インド)
    • 年月日
      2016-12-12 – 2016-12-15
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] フラッシュ焼結による酸化物セラミックスの緻密化と微細組織形成2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 目義雄, 山本剛久
    • 学会等名
      第21回通電焼結研究会
    • 発表場所
      東北大学金属材料研究所(日本)
    • 年月日
      2016-12-01 – 2016-12-02
    • 招待講演
  • [学会発表] 遷移金属フッ化物の高圧下X線発光とX線回折実験2016

    • 著者名/発表者名
      遊佐斉, 石井啓文, 平岡望, 平尾直久, 大石泰生
    • 学会等名
      第57回高圧討論会
    • 発表場所
      筑波大学会館,つくば市
    • 年月日
      2016-10-26 – 2016-10-29
  • [学会発表] 高圧合成により得られた12CaO7Al2O3-12SrO7Al2O3固溶体のインピーダンス評価2016

    • 著者名/発表者名
      宮川仁,小林清, 谷口尚
    • 学会等名
      第57回高圧討論会
    • 発表場所
      筑波大学会館,つくば市
    • 年月日
      2016-10-26 – 2016-10-29
  • [学会発表] フラーレンC60結晶の高圧相転移の第一原理計算2016

    • 著者名/発表者名
      村田秀信,権守宏通, 橘勝
    • 学会等名
      第57回高圧討論会
    • 発表場所
      筑波大学会館,つくば市
    • 年月日
      2016-10-26 – 2016-10-29
  • [学会発表] baddeleyite型TiO2からα-PbO2型TiO2への相転移の第一原理計算2016

    • 著者名/発表者名
      村田秀信,谷口尚, 田中功
    • 学会等名
      日本金属学会2016年秋季(第159回)講演大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス、大阪
    • 年月日
      2016-09-21 – 2016-09-23
  • [学会発表] パルス通電加圧焼結法によるY2O3の緻密化と機能元素効果 /2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 曽我公平, 山本剛久
    • 学会等名
      日本金属学会2016年秋期大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス(日本)
    • 年月日
      2016-09-21 – 2016-09-23
  • [学会発表] パルス通電加圧焼結による透光性イットリアの作製と機能元素効果2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 山本剛久, 曽我公平
    • 学会等名
      2016年日本セラミックス協会秋季シンポジウム
    • 発表場所
      広島大学東広島キャンパス(日本)
    • 年月日
      2016-09-07 – 2016-09-09
  • [学会発表] Consolidation of Yttria Ceramics by Flash Sintering: Cation Doping Effect2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 目義雄, 山本剛久, Jean-Marie Lebrun, Rishi Raj
    • 学会等名
      PRICM9
    • 発表場所
      Kyoto International Conference Center (日本)
    • 年月日
      2016-08-01 – 2016-08-05
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhanced Sintering Densification of Yttria Ceramics by Means of Field-assisted and Flash Sintering Techniques2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 目義雄, 山本剛久, Jean-Marie Lebrun, Rishi Raj
    • 学会等名
      THERMEC 2016
    • 発表場所
      Messe Congress Graz (オーストリア)
    • 年月日
      2016-05-29 – 2016-06-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High pressure synthesis of boron nitride polymorphic phases and their applications2016

    • 著者名/発表者名
      T.Taniguchi
    • 学会等名
      Thermec 2016
    • 発表場所
      Messe Congress Graz (オーストリア)
    • 年月日
      2016-05-29 – 2016-06-03
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Synthesis of high purity hBN single crystals2016

    • 著者名/発表者名
      T.Taniguchi
    • 学会等名
      Taiwan Consortium of Emergent Crystaline Materials (TCECM 2016)
    • 発表場所
      Taipei
    • 年月日
      2016-05-27 – 2016-05-28
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 酸化物セラミックスのフラッシュ焼結挙動と微細組織変化2016

    • 著者名/発表者名
      吉田英弘, 森田孝治, 金炳男, 目義雄, 山本剛久, Jean-Marie Lebrun, Rishi Raj
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会平成28年度春季大会
    • 発表場所
      京都工芸繊維大学 京都
    • 年月日
      2016-05-24 – 2016-05-26
    • 招待講演

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公開日: 2018-01-16  

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