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。

在用作多晶体（例如金属和氧化物）的材料内部，有无数的晶格缺陷。特别是，在晶界有多个亚稳态结构，这些结构是二维缺陷，并且存在与晶界附近的散装的独特原子布置，这是使原子结构与功能特性之间关系复杂化的因素。因此，在对功能特性影响的定量分析中，使用模型材料（例如双晶）的方法有效。匹配的晶界先前已经通过相应的晶格理论中的索引σ进行了分类，尤其是，通过描述电子显微镜图像上的二维结构单元，已经检查了倾斜晶界的原子结构。但是，为了从根本上理解晶界所特有的现象，澄清晶界的三维结构和关注晶界多面体的三维描述非常重要。以面部为中心的立方晶格或六角形密集的晶格为例，该空间充满了两种类型的多面体，一个常规的四面体和一个八面体，但形状在晶界附近发生了变化。在这项研究中，我们系统地构建了[001]和[110]的原子模型，用于面部中心的立方金属，并使用经典的分子动力学方法提取了最稳定的结构的晶界多面体。我们发现，填充不对称倾斜晶界附近的多面体可以将晶体结构和多面体变形的多面体大致分为多面体，而晶界独有的多面子，晶粒边界的特征是在特定的短期短期倾斜的特定偏向斜纹域中出现的多面体。还发现，晶界附近存在的晶界多面体的排列具有整体理论的层次结构，反映了对齐方向。使用这种层次结构，已经揭示了可以根据整数理论技术进行结构预测。