Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

粒界 / 原子構造 / 酸化物 / 走査透過型電子顕微鏡法 / 第一原理計算 / 走査透過型電子顕微鏡 / 走査透過電子顕微鏡法

金属・酸化物等から構成される機能材料は多結晶体として用いられ, 種々の格子欠陥が材料の機能特性に多大な影響を及ぼすことが知られている. 特に粒界構造を系統的に記述することは重要であるが, 傾角粒界近傍の原子構造は従来二次元構造ユニット配列で記述されてきた. 一方, 結晶の三次元構造は特定の多面体によって充填されることが知られているが, 粒界近傍を充填する場合, 母結晶の多面体を歪ませた多面体の他に, 粒界由来の多面体が存在する. 本研究では, 面心立方金属の[001]傾角・捩り粒界の幾何学モデル, および粒間並進モデルを系統的に構築し, 第一原理計算により各構造の粒界エネルギーを求めた. また, 剛体球充填モデルを採用し, 原子位置についてのボロノイ分割に基づき, 各ボロノイ頂点に挿入しうる球の最大半径(ボイド半径)を求めた. 各構造における最大のボイド半径と最安定構造の粒界エネルギーを比較した結果, それらがよく相関することが分かった. 剛体並進により系全体のボイドサイズを平均化し, さらに局所的に原子位置を最適化すること最安定構造が得られることが推測される.
また, 対応方位関係は回転軸と回転角を与えることによって決定するが, 異なる回転軸・回転角から同一の粒界を構成できる場合があるため既存の分類法では重複が生じる. 本研究では, 整数論的手法を用いて対応方位関係における整合結晶面を決定することで, 任意の対応粒界に適用出来る粒界分類法を構築した.

第一原理計算 / 走査透過型電子顕微鏡法 / 異種界面 / 電子状態 / 双晶 / 走査透過電子顕微鏡法 / セラミックス / 磁性材料

本研究では、機能材料中の異種界面および双晶界面の原子構造と電子状態について、最先端の原子分解能走査透過型電子顕微鏡法(STEM)と密度汎関数法による第一原理計算により研究を行った。
金属と酸化物により形成される異種界面では、界面の原子構造が機能特性に多大な影響を及ぼす。また、界面の原子構造と電子状態は、酸化物結晶の界面における極性に依存して大きく異なると考えられる。本研究では、分子線エピタキシー法によりZnO(0001)および(000-1)面にPd原子を成膜し、原子分解能STEMにより異種界面の観察を行った。STEM像の解析で得られた界面原子構造モデルをもとに約1000原子からなる超格子を作成し、第一原理計算により構造最適化を行い、界面の電子状態を計算した。Pd/ZnO界面の格子定数は18%と大きく異なるが、周期的に原子位置がずれることで不整合を緩和していることが分かった。さらに、界面の化学結合は共有結合とイオン結合の両方の性質を示し、その度合いと電子状態を定量的に明らかにした。
また、磁性材料双晶界面の電子状態についても解析を行った。磁性材料の一つとして応用が期待される四酸化三鉄は、常温でフェリ磁性・半金属性を示し、スピントロニクス、触媒、医療材料など幅広い実用範囲を持つ。本研究では、まず三酸化二鉄結晶を真空中で1246℃で加熱し、四酸化三鉄双晶試料を得た。その後、STEM観察を行い3種類の安定構造を発見した。第一原理計算により原子構造と電子状態を詳しく調べた結果、双晶近傍の強・反磁性は原子構造に依存することが分かり、それぞれ特徴的な電子状態を持つことが明らかになった。また、微分位相コントラストSTEM法により磁気結合を直接観察し、理論計算による予測と整合する結果を得た。

【研究分担者】
馮斌	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	特任准教授	(Kakenデータベース)
川原一晃	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	助教	(Kakenデータベース)