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本研究では、機能性電子材料おいて特異な量子現象(電子輸送など)が発現する界面(粒界や異種接合)に着眼して、走査透過電子顕微鏡法による原子レベル構造解析と理論計算(第一原理など)を併用して、実験と理論の両面から界面原子構造と電子状態、物性の相関性について解明することを目的としてきた。これまでに熱電変換素子や超電導素子として期待される超格子構造を有するチタン酸ストロンチウム系薄膜について、電流輸送における金属-絶縁体相転移と原子構造・微細構造(積層構造や結晶歪み)との相関を明らかにした。本年度は、絶縁体セラミックスとして知られる高純度酸化マグネシウム(MgO)を用いて、バイクリスタル(双結晶)法による結晶粒界の転位配列・構造制御し、元素識別可能な原子分解能電子顕微鏡法による局所原子構造計測や電子状態解析を行い、さらにスーパーコンピューターによる原子構造・電子状態の理論計算を遂行してきた。その結果、これまで不明であった高純度セラミックス中に濃度がppmレベルのごく微量残留する不純物が偏析した結晶粒界の原子構造や化学状態を計測することに成功した。特に結晶粒界において偏析した不純物原子が点欠陥などと強く相互作用して規則配列した超構造の自己組織化を発見した。本成果から不純物制御によるセラミックス材料の高性能化に関する研究のブレークスルーになることが期待される。また、原子レベルでこの超構造を自在にコントロールできれば、低次元系物質に特有の特異な機能特性の発現も期待でき、今後界面構造を原子制御した全く新しい材料設計やプロセスの指針構築にも貢献できると考えられる。
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