| 研究課題/領域番号 |
26400326
|
|---|
| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
|---|
研究代表者 |
米田 安宏 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究主幹 (30343924)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| キーワード | 二体相関分布関数 / 放射光 / 局所構造 / ドメイン構造 |
|---|
| 研究実績の概要 |
強誘電体や磁性体などのフェロイック材料に加え、水素吸蔵合金、形状記憶合金などの機能性材料には共通したマテリアルデザインが示唆されている。これらの機能性材料はすべてドメインを介した物性発現機構を有しており、物性のコントロールにはドメインドメイン構造そのものをコントロールするとともに、ドメイン内部の局所構造を明らかにすることが鍵となっている。放射光X線を利用した局所構造解析手法としてはX線吸収微細構造(XAFS)が最もポピュラーであるが、我々はXAFSだけでなく、高エネルギーX線を利用した2体相関分布関数法(atomic pair-distribution function; PDF)を併用した局所構造解析を行う。PDF解析はXAFSで得られる10オングルトローム以下の情報と、結晶構造解析から得られる平均構造の中間に位置する100オングストローム程度の中距離レンジ領域の情報を得ることができる。これによって、結晶構造とドメイン構造という階層構造をシームレスに理解し、強誘電体の特性をコントロール手法を開発することを目的としている。
3年計画の研究を計画しているが、初年度の測定装置の高度化に引き続き、チタン系のペロブスカイト酸化物、ニオブ系のペロブスカイト酸化物と研究を展開していく予定である。また、中距離レンジ構造の精度をダイレクトに評価するために、ペロブスカイト酸化物ナノ粒子を用いる。粒子径が100オングストローム程度のチタン酸バリウムナノ粒子やニオブ酸カリウムナノ粒子のPDF解析によって相関を持つ実空間距離、すなわち粒子径をPDFによって可視化することで中距離レンジの精度を評価する。
|
| 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
放射光を用いた局所構造解析の手法の一つである2体相関分布関数法(atomic pair-distribution function; PDF)の高度化による中距離レンジ構造の可視化を目指している。本来、~10オングストローム程度の局所的な原子対の相関を検出するPDF解析において、その検出領域を中距離レンジ構造である ~100オングストローム領域に拡張するためには、k空間における測定分解能の向上が必須である。この実現のために、大型放射光施設SPring-8原子力機構専用ビームラインに設置されている回折計をリプレースし、高分解能測定を可能にし、さらに集光光学素子を最適化することで、PDF解析で得られる実空間分解能の向上を目指した。これらの測定系をブラッシュアップした結果、新規に導入した回折計の測定分解能から見積もられる領域の中距離レンジ構造が得られることがわかった。特にナノ結晶を用いた中距離レンジ構造の評価に関しては、チタン酸バリウムとニオブ酸カリウムの高品位ナノ結晶が入手できたため、装置の評価をほぼ終えることができた。これらのナノ結晶の一連の測定を技術的な評価からアカデミックな研究に昇華させるために、サンプル提供元と協議し、学術的な価値の高いサンプルの作製を依頼しており、来年度以降に研究対象としたい。
ナノ結晶以外にも、非鉛圧電体材料として期待されているチタン酸ビスマスナトリウムやニオブ酸カリウムのセラミックス結晶のPDF解析を行っており、それぞれの結果を論文にして報告している。
|
| 今後の研究の推進方策 |
ナノ粒子の評価によってPDF解析によって得られた中距離レンジ構造測定がほぼ想定通りに整備できたため、最終年度である来年度に、一つ新たなテーマを組み込みたい。それは、リラクサー強誘電体の中距離レンジ構造を得ることである。リラクサー強誘電体は、それ自身では巨大な誘電率を示す程度にしか特徴のない物質であるが、チタン酸鉛などの大きな自発分極を持つ強誘電体と組み合わせた固溶体を作成することで、非常に特製の優れた強誘電体材料を得ることができる。リラクサーは、PDF解析の黎明期に中性子を使った研究がなされている。しかし、リラクサーを構成する主要な構成物質である鉛の原子相関は中性子ではとらえにくく、放射光X線を用いた研究が必要である。我々の整備した光学系では500オングストローム程度の静的な原子相関を得ることが可能で、このレンジの構造は光散乱によって得られたドメイン構造と直接比較することができる。リラクサーのPDF解析を行うことで、電子顕微鏡などで得られたローカル構造と光散乱で得られたドメイン構造を放射光X線PDF解析によって橋渡しすることができる。我々はすでに、XAFSとPDF解析を併用することで、コヒーレンスの高い局所構造とランダムネスの高い局所構造があることを見出しており、マルチプローブ解析を行うことによって、コヒーレンスサイズの異なる局所構造のうち、どのコンポーネントが平均構造へと発展していくかを解明することを期待している。
|
