2016 Fiscal Year Annual Research Report
高圧・高温プロセスを利用した新しい構造―機能相関の探求
| Project Area | Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation |
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| Project/Area Number |
25106006
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
谷口 尚 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (80354413)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遊佐 斉 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (10343865)
村田 秀信 横浜市立大学, 国際総合科学部(八景キャンパス), 助教 (30726287)
宮川 仁 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (40552667)
吉田 英弘 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (80313021)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノ構造情報 / 高圧・高温プロセス / 高密度相 / 機能性セラミックス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
圧力誘起相転移による新規高密度相の探索と新たな機能発現、高圧下でのみ安定な構造(高圧準安定相)の凍結手法の確立を目指した取り組みを、種々の酸化物、窒化物において進めた。
H27年度、熱力学的準安定相であるウルツ鉱型窒化ホウ素(wBN)を高純度六方晶窒化ホウ素(hBN)単結晶からの高圧下マルテンサイト転換により合成した。H28年度、得られた高配向性wBN結晶の機械的特性等を明らかにした。
共有結合性の強い物質において、結晶構造の対称性を高める縮退効果により、主にCBM（伝導帯下端）に大きな変化をもたらし、バンドギャップがナロー化することが提案されている。第一原理計算により、BaSiO3ペロブスカイトが立方晶化する際に、バンドャップが急減することが示唆されたため、高圧下でレーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルにより立方晶BaSiO3ペロブスカイトの存在を確認した。
Ca-Al-O系及びSr-Al-O系結晶とそれぞれの固溶体を高圧合成し、その特性を評価した。更に、常圧・高温下における化学組成、雰囲気および外場（応力場・電場）制御焼結技術を複合的に組み合わせた粒界ナノ領域の制御プロセスにおいて、誘電体からプロトン伝導体、電子伝導体まで、各種金属酸化物の合成、評価を系統的に行い、ナノ構造情報を駆使した領域内での連携に向けて、プロセスとナノ構造を制御しうるパラメータを記述子として抽出することを試みた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
高配向性wBN結晶が立方晶窒化ホウ素(cBN)に次ぐ硬度、ヤング率を有すること、同結晶の遠紫外線領域の光学特性（発光、光吸収）を明らかにした。
高圧下の構造相転移により高密度化するが、脱圧過程で低密度相に逆転換することが知られているbaddeleyite型TiO2の相転換機構（準安定相であるα-PbO2型に相転移）を理論的に考察し、その凍結手法を提案した。レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルにより高圧実験をおこない、部分的な構造凍結を確認したが、理論予測に応じた収率は得られていない。
140GPaの高圧下でBaSiO3が六方晶から立方晶へ相転移することを放射光その場観察X線実験で確認したが、常圧へは凍結不可能であることも同時に確認された。
12CaO・7Al2O3(C12A7)結晶と12SrO・7Al2O3(S12A7)結晶の固溶体の酸素イオン伝導度をインピーダンス法で評価した。S12A7焼結体において、YSZを上回る特性が得られ、イオンがケージ間を直接拡散する可能性が示唆された。
更にH27年度に見出した新規物質であるタングステン系複酸化物(NaMgWO4.5、NaCa2WO5.5、NaSr2WO5.5、NaBa2WO5.5結晶)のインピーダンス評価も行い、やはり格子定数が大きい物質、即ち隙間の空間が広い物質ほど高いイオン伝導性を示すことが見いだされた。
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| Strategy for Future Research Activity |
準安定相であるwBNが凍結できるのは、高圧相転移の際に導入される微細な転位構造によるピンニングの効果と推察される。同様の効果を炭素系材料において展開し新規物性の発現を目指す。
結晶構造の対称性に伴うバンドギャップのナロー化が一般則として成立するかは興味深いところであり、陽イオン半径を変化させたBaSiO3類似物質で、同様の相転移の存在および凍結可能性について、計算科学による出現圧力およびバンドギャップの予測等により連携研究を進める。
C12A7結晶に関しては、理論計算から導出予定の高圧下イオン半径を参考に、金属イオンの包接を試みることで、金属の陰イオンの生成を検証し、またそのイオン半径に関する基礎的な実験データの抽出が可能か検証する。タングステン系複酸化物に関しては、構成イオンの完全置換等を試みることで、同型結晶構造での物質探索を通じて、電子・イオン導電性評価、更には格子定数等、実験データが高圧下イオン半径で解釈されるようにフィードバックされるか検証したい。
高圧準安定相凍結手法開発を目指し、引き続きbaddeleyite型TiO2の合成実験を様々な角度（アニオン、カチオン置換、加圧方式の制御）で進め理論予測の検証を目指す。
常圧・高温下プロセスによる粒界ナノ領域の制御において、各種金属酸化物の合成、評価を行うと共に、情報科学にフィードバックさせるためナノ構造およびプロセス制御の記述子から実際のプロセス実施により、情報科学に則った粒界ナノ領域制御プロセスの確立を目指す。
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Research Products
(27 results)
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[Presentation] W-N系における超硬物質探索2017
Author(s)
遊佐斉, 川村史朗, 谷口尚, 亀卦川卓美, 平尾直久
Organizer
2016年度量子ビームサイエンスフェスタ
Place of Presentation
つくば国際会議場,つくば市
Year and Date
2017-03-14 – 2017-03-17
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