セラミックス粒界における溶質偏析構造の原子レベル解析

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K13982
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 馮 斌 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (20811889)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 原子分解能電子顕微鏡 / 粒界溶質偏析 / イットリア安定化ジルコニア / STEM-EDS / 表面界面

研究実績の概要

前年度までに行ったイットリア安定化ジルコニア（YSZ）対称傾角粒界における粒界偏析構造の観察結果をふまえ、本年度はYSZ非対称傾角粒界における偏析構造解析を行った．双結晶法を用いて、3種のYSZ非対称傾角モデル粒界を作製し、STEM-EDSによる粒界偏析構造の直接観察を行った．その結果、対称傾角粒界や小傾角粒界と同様、Yは粒界に強く偏析する傾向が明らかとなった．さらに原子分解能STEM-EDSを用いて観察した結果、Yの偏析サイトは非対称傾角粒界の粒界面に依存せず、局所原子構造に強く依存することを確認した．以上これまでの対称傾角粒界、非対称傾角粒界および小傾角粒界の結果により、粒界の偏析駆動力は主に静電相互作用であることが考察された．

また前年度から継続して、YSZ表面におけるY偏析構造解析を行った．原子分解能STEM-EDS観察を行った結果、Yが表面数原子層にわたって偏析することが確認され、表面偏析駆動力は主に静電相互作用であることが分かった．またYSZの粉末試料表面においても、同じような表面偏析挙動が観察された．このことは、粉末からセラミックス焼結体を作製する際に、粉末における表面偏析が焼結体の粒界偏析にも影響する可能性があると考えられる.一方で、昨年度YSZ表面に不純物Al偏析が確認されたため、本年度はX線光電分光法とグロー放電質量分析により汚染源を調査した．その結果、Alは結晶内部に存在する不純物であることが分かり、溶質元素Yと同様、熱処理により表面に偏析することが明らかとなった．

研究成果

• [雑誌論文] Layered cobalt oxide epitaxial films exhibiting thermoelectric ZT = 0.11 at room temperature (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashima Yugo、Zhang Yu-qiao、Wei Jiake、Feng Bin、Ikuhara Yuichi、Cho Hai Jun、Ohta Hiromichi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 274～280
  • DOI: 10.1039/D0TA07565E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct imaging of atomistic grain boundary migration (2021)
  • 著者名/発表者名: Wei Jiake、Feng Bin、Ishikawa Ryo、Yokoi Tatsuya、Matsunaga Katsuyuki、Shibata Naoya、Ikuhara Yuichi
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41563-020-00879-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic Electrical Conductivity of Oxygen-Deficient Tungsten Oxide Films with Epitaxially Stabilized 1D Atomic Defect Tunnels (2021)
  • 著者名/発表者名: Kim Gowoon、Feng Bin、Ryu Sangkyun、Cho Hai Jun、Jeen Hyoungjeen、Ikuhara Yuichi、Ohta Hiromichi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 13 ページ: 6864～6869
  • DOI: 10.1021/acsami.0c21240
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalously Low Heat Conduction in Single‐Crystal Superlattice Ceramics Lower Than Randomly Oriented Polycrystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Cho Hai Jun、Wu Yuzhang、Zhang Yu‐Qiao、Feng Bin、Mikami Masashi、Shin Woosuck、Ikuhara Yuichi、Sheu Yu‐Miin、Saito Keiji、Ohta Hiromichi
  • 雑誌名: Advanced Materials Interfaces 巻: 8 ページ: 2001932～2001932
  • DOI: 10.1002/admi.202001932
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unusually Large Thermopower Change from +330 to ?185 μV K?1 of Brownmillerite SrCoO2.5 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yang Qian、Lee Joonhyuk、Feng Bin、Ikuhara Yuichi、Kim Gowoon、Cho Hai Jun、Jeen Hyoungjeen、Ohta Hiromichi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 ページ: 2250～2256
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00427
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Coexistence of High Electron Conduction and Low Heat Conduction in Tungsten Oxide Epitaxial Films with 1D Atomic Defect Tunnels (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Gowoon、Feng Bin、Sheu Yu-Miin、Cho Hai Jun、Ikuhara Yuichi、Ohta Hiromichi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 ページ: 2507～2513
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00428
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication and characterization of tetragonal yttria‐stabilized zirconia single‐crystalline thin film (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakade Hiroaki、Tochigi Eita、Feng Bin、Nezu Yukio、Ohta Hiromichi、Shibata Naoya、Ikuhara Yuichi
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramic Society 巻: 104 ページ: 1198～1203
  • DOI: 10.1111/jace.17534
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic and electronic band structures of Ti-doped Al2O3 grain boundaries (2020)
  • 著者名/発表者名: Yang Chuchu、Feng Bin、Wei Jiake、Tochigi Eita、Ishihara Saki、Shibata Naoya、Ikuhara Yuichi
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 201 ページ: 488～493
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2020.10.018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization of Two-Dimensional Channel Thickness in Nanometer-Thick SnO2-Based Top-Gated Thin-Film Transistors Using Electric Field Thermopower Modulation: Implications for Flat-Panel Displays (2020)
  • 著者名/発表者名: Liang Doudou、Chen Bin-jie、Feng Bin、Ikuhara Yuichi、Cho Hai Jun、Ohta Hiromichi
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 3 ページ: 12427～12432
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c03069
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Direct imaging of atomistic grain boundary migration (2021)
  • 著者名/発表者名: Wei J,Feng B,Ishikawa R,Shibata N,Ikuhara Y.
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] The role of crystal defect cores on ionic conductivity in YSZ studied by atomic-resolution STEM (2020)
  • 著者名/発表者名: フウ ビン,柴田 直哉,幾原 雄一
  • 学会等名: 日本金属学会2020年秋期大会
  • 招待講演
• [学会発表] Structural and dynamical investigations of oxide grain boundaries using STEM (2020)
  • 著者名/発表者名: Feng B,Wei J,Shibata N,Ikuhara Y.
  • 学会等名: Online workshop of Network Joint Research Center for Materials and Devices
  • 招待講演
• [学会発表] The effect of Ti doping on the atomic and electronic structures in Al2O3 Σ7 grain boundaries (2020)
  • 著者名/発表者名: Yang C,Feng B,Jiake W,Tochigi E,Ishihara S,Shibata N,Ikuhara Y.
  • 学会等名: 日本金属学会2020年秋期大会
• [備考] ホームページ
  • URL: http://interface.t.u-tokyo.ac.jp/