粒界数理学の構築に基づく機能材料創出

基于晶界数学的功能材料的创建

基本信息

批准号：
21H01612
负责人：
井上和俊
金额：
$ 10.32万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

金属や酸化物等の多結晶体として用いられる材料の内部には、無数の格子欠陥が存在する。特に、二次元欠陥である粒界には複数の準安定構造が存在するとともに、粒界近傍ではバルクと異なる特異な原子配列が存在し、原子構造と機能特性との関係を複雑化させる要因となっている。従って機能特性への影響を定量解析するためには、双結晶などのモデル材料を用いる手法が有効である。整合粒界はこれまで対応格子理論における指標Σによって分類されており、特に傾角粒界の原子構造は電子顕微鏡像上に二次元構造ユニットを描いて検討されてきた。しかしながら、粒界特有の諸現象を根源的に理解するためには粒界三次元構造の解明が重要であり、粒界多面体に着目した三次元的記述がより本質的である。面心立方格子や六方稠密格子を例にとれば、正四面体と正八面体の二種類の多面体によって空間充填されるが、粒界近傍では形状が変化する。本研究では、面心立方金属の[001]および[110]非対称傾角粒界の原子モデルを系統的に構築し、古典分子動力学法により最安定構造を求め粒界多面体の抽出を行ったところ、非対称傾角粒界近傍を充填する多面体は、結晶構造を歪ませた多面体と、粒界特有の多面体とに大別され、粒界多面体は特定の短周期対称傾角粒界に出現する多面体により特徴づけられることが分かった。また、粒界近傍に存在する粒界多面体の配列には、整合方位を反映した整数論的階層性が存在することが分かった。この階層性を用いて、整数論的手法に基づいた構造予測が可能であることが明らかになった。

用作多晶的材料（例如金属和氧化物）内部存在无数的晶格缺陷。特别是，晶界处存在多个亚稳态结构（二维缺陷），以及与晶界附近块体中的原子排列不同的独特原子排列，这些因素使原子结构和功能性质之间的关系变得复杂。变得。因此，为了定量分析对功能特性的影响，使用双晶等模型材料是有效的。通过对应晶格理论中的指数Σ对相干晶界进行分类，并通过在电子显微镜图像上绘制二维结构单元来研究倾斜晶界的原子结构。然而，为了从根本上理解晶界特有的各种现象，阐明三维晶界结构非常重要，而以晶界多面体为重点的三维描述更为必要。例如，在面心立方晶格或六方密堆积晶格中，空间充满两种类型的多面体：正四面体和正八面体，但形状在晶界附近发生变化。在本研究中，我们系统地构建了面心立方金属中[001]和[110]不对称倾斜晶界的原子模型，利用经典分子动力学方法寻找最稳定的结构，并提取了晶界多面体、不对称倾斜。填充角晶界附近的多面体大致可以分为晶体结构扭曲的多面体和晶界特有的多面体。晶界多面体的特征是出现在特定的短周期对称倾斜晶界处的多面体。。此外，还发现晶界附近存在的晶界多面体的排列具有反映匹配方向的数论层次结构。很明显，使用这种层次结构可以基于数论方法进行结构预测。