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本研究では、機能性セラミックスの粒界機能、特性発現メカニズムを明らかにするため、(1)精密に方位を制御された単結晶同士を高温で張り合わせることにより、モデル粒界を有する双結晶試料を作製し、(2)作製した粒界を超高分解能STEMにより、観察・分析を行った。本研究では、ジルコニア、アルミナ、チタン酸ストロンチウム、チタニア等のバイクリスタル作製を行い、各試料ごとの最適接合条件の検討を行った。その結果、表面を高精度に研磨した単結晶同士を高温で接合することで、アモルファス相などの第二相を含まない原子レベルで接合した粒界面を得ることに成功した。また、このような粒界部に各種ドーパントをドープすることが可能となり、粒界におけるドーパント効果の本質的理解に向けたモデルサンプルを作製することができた。
これらのモデルサンプルに対して、高分解能STEM観察を行った結果、粒界部には局所的な構造単位が存在することが明らかとなった。また、この構造単位内部には、酸化物が酸素の副構造を取る故に形成される配位数欠損を有するカチオンサイトが存在し、このようなサイトと偏析等の粒界に特有の現象に強い相関性が存在することが明らかとなった。このような現象は、多くの酸化物粒界において、共通する特徴である。このようにして得られた原子構造の妥当性を検証するために、格子静力学計算、第一原理計算による粒界構造、粒界偏析サイトの理論予測を行った。その結果、STEM像で得られた各ドーパントの界面偏析サイトが、理論計算ではもっとも偏析エネルギーが低い(偏析しやすい)サイトに対応することが明らかとなり、理論実験両面から粒界原子構造、偏析構造の同定が達成された。また、これらの構造から導かれる粒界局所電子構造に、粒界における機能発現の起源がある可能性が示唆された。
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