自己探求機能を持つ陽電子を利用したナノ粒子形成初期過程の原子・電子構造解明

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13305044
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 長谷川 雅幸 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80005975)
• 研究分担者: 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (50344718) ; 唐 政 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (80271972) ; 永井 康介 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (10302209) ; 湯蓋 邦夫 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (00302208) ; 大窪 秀明 東北大学, 金属材料研究所, 中核的研究機関研究員
• キーワード: 陽電子消滅 / ナノ析出物粒子 / Fe-Cu合金 / 電子運動量分布 / フェルミ面

研究概要

熱処理や照射などによって材料内部に生ずる(サブ)ナノサイズ粒子は、その材料の物理的、機械的性質に大きな影響を与える。従ってこのような埋め込みナノ粒子の形成過程とその原子・電子構造を解明することは極めて重要である。本研究では、最近我々が世界に先駆けて開発しつつある最新の陽電子消滅実験(2次元角相関(2D-ACAR)や同時計数ドップラービロードニング(CDB))および理論計算を組み合わせる方法を発展・応用し、ナノ粒子の検出とその原子的・電子的構造を解明した。
CDB、電気抵抗および3次元アトムプローブ(3D-AP)の詳細な熱時効実験によって、Fe-1.0wt%Cu合金中のCu(BCC)ナノ粒子の析出過程に関する詳細を明らかした。すなわち、CDBによってCu原子の集合、電気抵抗によってマトリックスに残存する孤立Cu原子濃度、さらに3D-APによってCu原子のクラスタリング状況を詳細に求めた。その結果例えば、550℃で0.1hの時効では10個程度のCu原子からなる超微小析出物、1時間程度の時効では1nm程度のCu析出物が生ずることを見いだした。他方3D-APでは、1nm程度以上の大きさのCu析出物に成長して初めて検出されることが判明した。またこれら超微小析出物に関して、陽電子消滅からはほぼ100%Cu、3D-APからはほぼ70%Cuの化学組成であるという結果が得られた。この不一致の原因は今後の課題である。3D-AP、電気抵抗から求めたFeマトリックス中の固溶Cu濃度は良く一致した。
熱時効過程を2D-ACARによって調べ、超微小Cu析出物のフェルミ面のぼけ(運動量分布のぼけ)の系統的な変化を求めた。これらはナノ粒子中の電子状態理論の発展に大きく寄与すると期待される。

研究成果

• [文献書誌] Z.Tang, M.Hasegawa et al.: "Density functional study on metastable bcc copper : Electronic structure and momentum density of positron-electron pairs"Physical Review. B65巻. 195108-1-195108-8 (2002)
• [文献書誌] Z.Tang, M.Hasegawa et al.: "First-principles calculation of coincidence Doppler broadening of positron annihilation radiation"Physical Review. B65巻・4号. 045108-1-045108-10 (2002)
• [文献書誌] Y.Nagai, M.Hasegawa et al.: "Coincidence Doppler Broadening Study of the Pre-precipitation Stage of an Al-Cu-Mg-Ag Alloy"Philosophical Magazine. A82巻・8号. 1559-1572 (2002)
• [文献書誌] T.Onitsuka, M.Hasegawa et al.: "Deformation-enhanced Cu precipitation in Fe-Cu alloy studied by positron annihilation spectroscopy"Physical Review. B65巻・1号. 012204-1-012204-4 (2002)
• [文献書誌] M.Hasegawa et al.: "Positron lifetime and coincidence Doppler broadening study of vacancy-oxygen complexes in Si : Experiments and first-principles calculations"Applied Surface Science. 194巻. 76-83 (2002)
• [文献書誌] H.Ohkubo, M.Hasegawa et al.: "Positron annihilation study of vacancy-type defects in high-speed deformed Ni, Cu and Fe"Materials Science and Engineering. (印刷中). (2003)