粒界数理学の構築に基づく機能材料創出

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。

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。