2010 Fiscal Year Annual Research Report
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22560663
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
佐々木 泰造 独立行政法人物質・材料研究機構, 計算科学センター, グループリーダー (60343852)
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| Keywords | 金属酸化物 / イオン伝導 / 酸素拡散 / 第一原理計算 / 準格子間機構 / アパタイト |
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| Research Abstract |
この研究では、近年環境エネルギー問題の観点などからも関心の高い固体酸化物について、その内部で起こる原子拡散を第一原理理論により電子論的に追跡し、拡散機構の裏にある電子状態・各種化学結合の役割を明確にする。さらに酸化物に導入されるドーパントのイオンと拡散する原子との相互作用と拡散への影響を理論計算により導き出す。これによって酸化物全般にわたる拡散の微視的理論の構築を目指し、拡散の制御へと結びつく知見を求めるものである。
金属酸化物の多くは、より大きなイオン半径を持つ酸素イオンの最密充填構造の隙間に、より小さな半径を持つ金属イオンが収まった構造をとっており、酸素イオンの拡散は、空孔機構によるものが普通である。しかし今回、研究を行ったLa9.33Si_6O_<26>(Laアパタイト)に見られる酸素イオン拡散は、格子間機構によるとされている。第一原理計算から導かれた格子間機構による拡散障壁は、1.16-1.24eVであり、観測されている熱活性化エネルギー0.51-0.80eVよりかなり大きい。これに対し、格子間酸素を仮定した計算値は0.52eVと実験とよい一致を示している。ただし、格子間酸素の拡散は、実は、格子間機構ではなく準格子間機構によることが導かれた。我々のモデルでは、電気的中性条件から仮定されているLa原子の空孔の存在を陽に仮定しているが、エネルギープロファイルの解析結果は、この空孔と格子間酸素との相互作用が活性化障壁の大きさに対し本質的であることを示している。さらに準格子間機構による拡散を可能にしているのは、結晶内にあるSiO_4クラスタであることも明らかになった。
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