量子化学計算による軽元素近傍局所構造解析と材料開発への応用

使用量子化学计算进行近轻元素局部结构分析及其在材料开发中的应用

• 批准号: 02J01611
• 负责人: 巽 一厳
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Nagoya University (2003)Kyoto University (2002)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02J01611/
• 关键词: 量子化学計算; X線吸収スペクトル; 電子線エネルギー損失スペクトル; 水素; サイアロン; 局所構造; 水素吸蔵合金; 弾性定数; 固溶体

実験的手法のみからでは得ることが困難な、軽元素や固溶元素の局所的な原子・電子構造について第一原理的な計算手法を援用して知見を得ることを本研究では行ってきた。具体的には、量子化学計算と、その計算との直接的な比較が可能な分光学的実験とを、相補的に組み合わせることで以下に示す成果が得られた。1)EELSスペクトルに見られる固体中水素の影響これまで、研究担当者は、代表的な水素吸蔵合金である水素による化学結合変化と弾性的性質について調べてきた。分光的手法から水素の及ぼす影響についての知見を得ることで、水素吸蔵におけるメカニズムについて理解が得られ、望ましい材料形態が明らかになると期待される。本研究では、透過型電子顕微鏡内でそのような知見を得る可能性をもつ電子線エネルギー損失分光(EELS)に反映される水素の影響について基礎的な知見を得ることを目的とした。モデル実験として、金属Tiとその水素化物のEELSスペクトルを測定した。Ti L_<2.3>励起端微細構造において、水素によりスペクトルのピーク幅がサブeVのオーダーで減少していることが見出された。この変化は、量子化学計算から得られた理論スペクトルにおいても見られ、Ti同士の化学結合の弱化を示すものであることがわかった。2)サイアロンセラミックスにおける原子配列とX線吸収分光これまで、研究担当者は、サイアロンの溶質原子の分布・結合のプリファレンスについて第一原理計算からエネルギー的考察を行ってきた。本研究ではX線吸収分光により溶質原子周囲の局所構造について調べた。Al K吸収端微細構造において、第一ピークの位置は励起原子の局所環境を反映して化学シフトすることが確認された。構造用材料として広く使用されるβ-サイアロンのみならず、高圧相として近年合成されたスピネル型サイアロンにおいても同様の化学シフトが見られた。

在这项研究中，我们使用第一性原理计算方法来获得有关轻元素和固溶体元素的局域原子和电子结构的知识，这些知识仅通过实验方法很难获得。具体来说，通过互补地结合量子化学计算和光谱实验，获得了以下结果，可以直接与这些计算进行比较。 1) EELS 光谱中固体中氢的影响 到目前为止，研究人员已经研究了典型储氢合金中氢引起的化学键变化和弹性特性。通过光谱方法获得有关氢影响的知识有望帮助我们了解氢储存的机制并阐明所需的材料形式。本研究的目的是获得有关电子束能量损失光谱 (EELS) 中反映的氢影响的基本知识，该知识有可能在透射电子显微镜内获得此类知识。作为模型实验，我们测量了金属 Ti 及其氢化物的 EELS 光谱。发现在Ti L_ 2.3 激发边缘精细结构中，光谱的峰宽度由于氢而减小了亚eV量级。这种变化也出现在量子化学计算获得的理论光谱中，并且被发现表明Ti之间的化学键减弱。 2）Sialon陶瓷中的原子排列和X射线吸收光谱到目前为止，研究人员一直在基于第一性原理计算的基础上对Sialon陶瓷中溶质原子的分布和键合偏好进行能量考虑。在这项研究中，我们利用 X 射线吸收光谱研究了溶质原子周围的局部结构。已证实，在Al K吸收端精细结构中，第一峰的位置经历了反映激发原子的局部环境的化学位移。类似的化学位移不仅在广泛用作结构材料的β-赛隆中观察到，而且在近年来作为高压相合成的尖晶石型赛隆中也观察到。

项目成果

K.Tatsumi, I.Tanaka, K.Tanaka, H.Inui.M.Yamaguchi, H.Adachi, M.Mizuno: "Elastic constants and chemical bondings of LaNi_5 and LaNi_5H_7 by first principles calculations"Journal of Physics : Condensed Matter. 15. 6549-6561 (2003)

K.Tatsumi、I.Tanaka、K.Tanaka、H.Inui.M.Yamaguchi、H.Adachi、M.Mizuno：“通过第一原理计算得出 LaNi_5 和 LaNi_5H_7 的弹性常数和化学键”物理学杂志：凝聚态物质。

K.TATSUMI, I.TANAKA, H.ADACHI, M.YOSHIYA: "Atomic structures and bondings of beta and spinel-Si_<6-z>Al_zO_zN_<8-z> by first principles calculations"Physical Review B. 66. 165210 (2002)

K.TATSUMI、I.TANAKA、H.ADACHI、M.YOSHIYA：“通过第一原理计算得出 β 和尖晶石-Si_<6-z>Al_zO_zN_<8-z> 的原子结构和键合”物理评论 B. 66. 165210

I.Tanaka, K.Tatsumi, F.Oba, H.Adachi: "First-Principles Calculations of Silicon Nitrides and SiAlONs"Key Engineering Materials. 247. 149-154 (2003)

I.Tanaka、K.Tatsumi、F.Oba、H.Adachi：“氮化硅和 SiAlON 的第一性原理计算”关键工程材料。