【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】15H02290 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶粒界 / 透過型電子顕微鏡 / 第一原理計算 / バイクリスタル / セラミックス / 粒界偏析 / 粒界拡散 / 収差補正透過型電子顕微鏡 / 結晶構造・組織制御 / 粒界・界面 / 構造ユニット / 電子顕微鏡 / 収差補正等差透過型電子顕微鏡 / 収差補正走査透過電子顕微鏡

【研究成果の概要】

本年度は、界面構造制御および異種元素添加による界面特性発現メカニズムの解明を目指し、これまでの推進してきた界面構造の解析と制御に加え、界面特性の解析に重きを置き研究を執り行う計画であった。この計画の遂行のため、次の3点を中心に研究を推進した。（1）双結晶を用いた界面構造制御と解析、(2)界面構造の変化を直接観察するための透過型電子顕微鏡用加熱ホルダー安定化システムの導入、(3)界面局所物性測定のため走査プローブ顕微鏡の計測手法の検討。しかし、平成２９年４月２５日をもって科学研究費助成事業特別推進研究の新規採択による重複制限により本研究は廃止となったため、研究計画の進捗は限定的であった。下記に研究期間内に置いて得られた成果を述べる。
代表的な構造用材料であるアルミナにおいて、周期的な転位列形成される小傾角粒界を双結晶法により作製した。さらに、粒界転位に対し種々の異種元素を導入し、その偏析分布を解析したところ、異種元素のイオン価数に依存して2種類の転位コアに選択的に偏析することが明らかとなった。先行研究により2種類の転位コアはそれぞれ正および負の電荷を有していることが示唆されており、異種元素の偏析分布は、弾性的相互作用に加え電気的相互作用を加味することでよく説明できることが分った。このことは、イオン性結晶における異種元素偏析現象は電気的相互作用に強く依存することを示している。
なお、本研究により得られた知見および課題は、代表研究者らの結晶界面関連研究にて引き続き検討することとしている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,900千円 (直接経費: 33,000千円、間接経費: 9,900千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】26249092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電池 / ガラス / 磁性体 / ELNES / XANES / 第一原理計算 / 吸収端近傍微細構造 / 内殻励起スペクトル / 電子エネルギー損失分光 / X線吸収分光 / エキシトン / 配置換相互作用 / 理論計算 / 表面・界面物性 / 原子電子構造 / 電子顕微鏡 / セラミックス

【研究成果の概要】

「究極の分析法」とも称されてきたELNES/XANESスペクトルは十分に解釈されてこなかった．特に，電池や磁性体，ガラスといった先進材料への適用は困難であった．本研究課題は3つの目標，つまり，１）粒子間相互作用の定量的理解，２）XMCD/EMCD計算法の確立，３）1,000原子ELNES/XANES計算の達成，を目指して行われてきた．3年間の研究において，１）～３）の研究目標を十分に達成することが出来，「全構造・全元素・全吸収端のELNES/XANES理論計算」を確立することが出来たといえる．本申請研究で達成した成果により，今後先進材料の構造解析が革新的に高精度化されることが期待される．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-06-27 - 2017-03-31

【配分額】41,080千円 (直接経費: 31,600千円、間接経費: 9,480千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】23656395 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

太陽電池 / 光吸収層 / カルコパイライト型化合物 / 第一原理計算 / 透過型電子顕微鏡 / 粒界 / 空孔 / 構造機能相関 / 電子顕微鏡 / バンドギャップ / CuInSe2 / 原子・電子構造 / EELS / 薄膜 / 無機材料・物性

【研究成果の概要】

本研究ではCIS系化合物の界面における欠陥形成挙動と物性への影響をしらべた．H23，24年は堆積条件および双晶基板界面の原子構造の調査を行った．計算と高分解能観察により基板界面の原子構造を明らかにした（APL2012）．また空孔形成エネルギーのセルサイズ依存性が欠陥準位の局在具合に依存するということを明らかにした（PRB 2012）．H25年度においてCIS粒界の構造を決定し，バンドギャップとベンディングが，粒界原子の配位環境に相関してることを突き止めた(APL2014)．またSeリッチ雰囲気では粒界への空孔偏析がほとんど起こらないことを明らかにした．(JCerJpn. 2014)．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2013

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】22686059 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

内殻電子励起分光法 / 透過型電子顕微鏡 / EELS / XAFS / 電池 / 触媒 / 液体 / 第一原理計算 / 電子線エネルギー損失分光 / 吸収端近傍微細構造 / その場観察 / 時間分解 / 高分解能像 / in situ / 材料設計 / 原子・電子構造 / 電子顕微鏡 / セラミックス / 無機材料・物性

【研究成果の概要】

高い空間・時間分解能を有する内殻電子励起分光法をもちいて材料開発指針を確立することを目的としている．スペクトルの理論解析法の確立に取り組み，解析精度を格段に向上させた（Micron 2010, PRB2011,等）．さらにリチウムイオン電池材料の酸化還元反応をその場（in-situ）解析し，原子・電子構造の変化を調べ，還元種に関する重要な知見を得た(APL2014)．また，結晶中転位の運動に伴う変化を原子分解能時間分解計測し，転位移動が及ぼす物性への影響を明らかにした(Sci. Rep.2012)．また液体の内殻電子励起分光にも発展させ，液体のナノ解析法を確立した（Sci. Rep.2013）

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】20760449 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶界面 / ノンストイキオメトリー / 欠陥 / 電子顕微鏡 / 第一原理計算 / 原子.電子構造 / セラミックス / 表面・界面物性 / 格子欠陥

【研究成果の概要】

結晶界面の原子構造は結晶内部と異なるため,単結晶にはない新機能を発現させることが可能である.そのような結晶界面に起因した機能は,界面における局所的な非化学量論(ノンストイキオメトリー)を起源としていることが多い.本研究ではナノ計測と理論計算を融合し,結晶界面におけるノンストイキオメトリーを調べた.その結果,結晶界面におけるサイト毎のノンストイキオメトリー欠陥形成挙動を明らかにした.さらに,ノンストイキオメトリーの形成には,結晶界面における化学結合と格子歪みが重要な役割を果たしていることを突き止めた.本研究結果により結晶界面におけるノンストイキオメトリー制御のための指針が明らかになり,結晶界面ノンストイキオメトリー制御による材料設計の可能性が拓かれたと考えている.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)