希土類錯体を含む窒化ケイ素セラミックスの電子状態

含有稀土配合物的氮化硅陶瓷的电子态

基本信息

批准号：
08220234
负责人：
足立裕彦
金额：
$ 1.02万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-08220234/
关键词：
分子軌道法 DV-Xα法粒界破壊靭性サイアロン化学結合

项目摘要

本研究では、含希土類機能性セラミックス材料を電子論に基づいて設計することを最終の目的として、モデルクラスターとして希土類を格子間位置に含んだα-およびβ-Si_3N_4をとりあげ、その電子状態をDV-Xα法により詳しく調べ、実験的に知られている諸物性との対応を系統的に調べた。Ln^<3+>イオン周囲の化学結合性を評価したところ,Ln-N,Ln-Siともに強い反結合性を示し,この反結合性は,Lnのイオン半径の増大にほぼ比例して強くなった.この反結合の強さは,β-Si_3N_4構造においても同様であったが,Lnイオン周囲のSi-N結合がα-Si_3N_4において強化される分だけ,半径の小さいYb^<3+>などのイオンがα-Si_3N_4において安定化されることが判明した.このことは固溶量についての実験結果とよく対応している.さらに構造セラミックスの靭性を決める上で重要となる粒界結合力について,粒界のモデルクラスターを構築し,検討した.その結果,β-Si_3N_4構造でも粒界には,希土類原子は安定に存在可能で,La^<3+>のような大きなイオン半径を持つ原子が存在する場合と,Yb^<3+>のような小さいイオン半径を持つ原子が存在する場合とでは,界面結合力が前者で著しく低下することが判明した.この結果は,他の研究者による亀裂進展挙動とよく対応していた.以上の結果をもとに,窒化ケイ素セラミックスの材料設計の指針を,第一原理計算を基に初めて見いだした.

本研究以基于电子理论设计含稀土功能陶瓷材料为最终目标，以间隙位置含有稀土元素的α-和β-Si_3N_4为模型团簇，并通过DV研究了它们的电子态。使用-Xα方法进行了详细的研究，并系统地研究了与实验已知的物理性质的对应关系。当评估Ln ^ 3+ 离子周围的化学键时，Ln-N和Ln-Si均表现出强反键合，并且这种反键合随着Ln离子半径的增加而变强。这种反键合强度相似。 β-Si_3N_4结构，但是研究发现，Yb^<3+>等半径较小的离子在α-Si_3N_4中稳定存在，其程度使得α-Si_3N_4中的Si-N键得到加强。这表明固体的量解为与实验结果吻合较好。此外，确定结构陶瓷的韧性也很重要。我们构建了晶界模型簇并研究了晶界键合力，这对于当存在离子半径较大的原子（如 Yb^<3+>）和离子半径较小的原子（如研究发现，与存在同半径原子相比，前一种情况下的界面结合力显着降低。这一结果与其他研究人员报告的裂纹扩展行为非常吻合，我们首次找到了材料指南。基于第一性原理计算的氮化硅陶瓷设计