イオン・電子伝導体-イオン伝導体界面のフェーズフィールドモデル

离子/电子导体-离子导体界面的相场模型

• 批准号: 19017005
• 负责人: 鈴木 俊夫
• 金额: $ 3.84万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 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: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19017005/
• 关键词: フェーズフィールドモデル; 電析デンドライト; 曲率効果; 界面安定性; イオン・電子伝導体; 数値解析

電気化学プロセスに対するフェーズフィールドモデルを構築し、電子伝導体-イオン伝導体界面の安定性解析を行った。本年度は、従来のモデルにおいては簡略化されていた系の電流をNernst-Planck方程式により正しく記述することにより、電極/電解質の相間電位と両相間の化学ポテンシャル差を関係づけることができた。また、両相間に化学ポテンシャル差を与えた条件でフェーズフィールドモデルにより解析した相問電位はNernst式を満足することが示された。そこで、このモデルを用いて2次元平衡界面形状を解析した結果、界面曲率と相間電位差変化量の間で界面エネルギー異方性を考慮したGibbs-Thomsonの関係が成り立つことを確認した。また、相間電位差、異方性強さの変化による界面安定臨界波長を求め、その値が成長速度の平方根に反比例することを示した。さらに、モデル水溶液系における電析デンドライト成長の解析を行い、定常成長におけるデンドライト先端曲率半径が成長速度の-112乗に比例することを示した。また、この先端曲率半径は同条件で求めた界面安定臨界と線形関係にあり、凝固デンドライトと同様のスケーリング則を満足することを示した。また、本研究で開発したフェーズフィールドモデルの応用として、Ag/Ag2S系原子スイッチにおけるAg柱成長とスイッチング挙動の解析を行った。その結果、Ag/Ag2S界面でのAg+の還元反応に必要な過剰エネルギー(過電圧)を仮定することにより、電圧印可時のAg柱の一様な成長および電圧掃引によるスイッチング挙動を再現できることを示した。

我们构建了电化学过程的相场模型，并分析了电子导体-离子导体界面的稳定性。今年，通过使用能斯特-普朗克方程正确描述传统模型中简化的系统电流，我们能够将电极/电解质的相间电势与两相之间的化学势差联系起来。此外，还表明，在两相之间给出化学势差的情况下，由相场模型分析的相间电势满足能斯特方程。因此，使用该模型分析二维平衡界面形状的结果证实，考虑了界面能量各向异性的吉布斯-汤姆逊关系在界面曲率和相间电位差的变化量之间成立。我们还确定了由于相间电位差和各向异性强度的变化而导致界面稳定性的临界波长，并表明其值与生长速率的平方根成反比。此外，我们分析了模型水溶液系统中沉积枝晶的生长，结果表明稳定生长期间枝晶尖端的曲率半径与生长速率的-112次方成正比。还表明，尖端曲率半径与相同条件下确定的界面稳定性临界值呈线性关系，并且满足与凝固枝晶相同的标度律。此外，作为本研究中开发的相场模型的应用，我们分析了基于 Ag/Ag2S 的原子开关中银柱的生长和开关行为。结果表明，通过假设Ag/Ag2S界面处Ag+还原反应所需的过剩能量（过电压），可以重现施加电压期间Ag柱的均匀生长以及电压扫描引起的开关行为。

项目成果

Electric current and electrode potential in phase-field modeling

相场建模中的电流和电极电位

• 发表时间: 2008
• 作者: Y. Okajima;Y. Shibuta;T. Suzuk
• 通讯作者: T. Suzuk

Phase-field modeling for electrodeposition process

• DOI: 10.1016/j.stam.2007.08.001
• 发表时间: 2007-01
• 期刊: Science and Technology of Advanced Materials
• 影响因子: 5.5
• 作者: Y. Shibuta;Yoshinao Okajima;Toshio Suzuki