2021 Fiscal Year Annual Research Report

機能コアのモデリング

Planned Research

Project Area	New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
Project/Area Number	19H05786
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	松永克志名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20334310)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	吉矢真人大阪大学, 工学研究科, 教授 (00399601) 中村篤智大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20419675)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2024-03-31
Keywords	転位 / 電子伝導 / 熱伝導 / 結晶構造
Outline of Annual Research Achievements	転位は、主として構造材料分野での基礎研究において重要な役割を果たしてきた結晶欠陥である。転位を起源とした機能発現メカニズムに関しては未だ十分に理解されておらず、結果的に転位を新規機能材料創製に利用可能な状態に至っていない。本研究では、結晶欠陥の１つである「転位」の特異な原子配列および電子状態による機能発現に焦点を当て、転位局所の機能発現量子場を「転位機能コア」と位置付け、その量子場と機能の相関をモデリングおよび検証することで、転位機能コアの機能発現学理を構築しようとしている。令和3年度では、塑性変形による転位導入ならびに双結晶実験により周期的な転位の創製を行った。さらには、それらにおける電気伝導、熱伝導、光物性の評価を行った。実験結果の１つとして、塑性変形により転位を導入することで結晶のマクロな熱伝導特性が変化することが確認できた。これは転位自身が熱伝導に大きく影響することを示している。また、対象を３つのモデル材料に広げ、完全転位が熱伝導度に与える影響の定量評価並びに解析を行った。特に転位コア近傍の結合歪が周囲の原子振動状態および熱伝導度を変化させるメカニズム解明を行った。その結果、結晶構造に依存してこれら３つ材料では転位コア近傍の結合歪形成の様態が大きく変化し、熱伝導度に与える影響が変化した。またフォノン分散関係に依存し、転位導入後に主として熱伝導を担う結合が変化することを明らかにした。これら３つの代表的モデルで得られた理解を基に、転位による精緻な熱伝導制御へ新たな道を拓いた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason これまでの酸化マグネシウムおよびチタン酸ストロンチウムに加えて、新たに酸化チタンや酸化亜鉛等の酸化物結晶の転位も対象にして、転位コアの電子・原子構造の熱力学的安定構造ならびに転位の挙動に関係する一般化積層欠陥エネルギーの検討を行った。また、これらの理論解析に合わせて、新たに酸化チタンや酸化亜鉛の双結晶作製ならびに、それらの電子顕微鏡観察を行った。概ね想定された転位コア構造が実際に形成されており、これらの材料で作製済の転位に対して、局所の電子物性評価を行った。一部の試料に対しては、局所熱伝導測定の予備的評価も開始した。また、塑性変形を行った結晶に対するマクロな熱伝導特性評価からは、転位が熱伝導特性に影響することが確認できた。熱伝導度に関する理論計算ならびに数値解析により、転位コアが周囲のフォノン状態に与える影響は従来の転位コア近傍の弾性論に基づく予測とは異なり、転位コア近傍の結合歪、それに基づく原子振動の異方性の顕在化などを経て、大きく遠方までフォノン散乱の影響が生じ、結果として1つの転位が材料の熱伝導へ与える影響は既存理論に基づくものより大きいことが明らかにした。また結晶構造すなわち原子の配位環境により転位コア近傍で形成される結合歪は大きく変わることが明らかにできるなど、本来の目的である材料への応用の為の理解の普遍化に向け計画通りあるいはそれ以上に進捗している状況である。
Strategy for Future Research Activity	これまでの研究から、転位コア領域において、特異な電子物性・熱特性・発光特性を生じさせることが系統的に確認されつつある。今後も転位機能コアの特異な物性を理解すべく、実験と計算を融合して研究を進めていく。実験面では、これまでも行っている双結晶法による転位導入に加えて、塑性変形により転位を導入した結晶を元に、各種物性を計測していく。とりわけ、電子物性と熱伝導特性を評価の中心とするが、それ以外の物性とも相互作用しているため、広い視点で検討する。電子物性測定においては従来からのDC測定に加えて、AC測定も測定法として追加する。また、光環境制御下における各種物性の測定も開始する。計算解析面では、多彩な化合物と結晶構造を共有するモデル材料群に対して、さらに各結晶構造および化学結合に詳細に踏み込んだ熱伝導機構の解明を目指し、熱伝導に支配的な原子間結合と、そうではないが他物性に重要な原子間結合、などに分類し、複数の機能コア発現をも念頭に置き、得られた多様な知見の普遍化を目指す。同時に高対称性結晶構造を有する酸化マグネシウムに関し、剛体の歪テンソルの考え方を参考に、さらに深い熱伝導メカニズム解析を進める。