Active control of fracture and strength for oxide materials using electron beam induced quantum dot array

本研究では，酸化物脆性材料が持つ「強度不足とばらつき」問題に対し，電子線（Electron Beam: EB）照射で局所還元させて形成する量子ドット（Quantum Dot: QD）を巧みに配列させ，その周辺を応力集中源としてき裂進展経路を人為操作して高靭化する「材料強度アクティブ制御」技術を構築し，「高強度＋極微小ばらつき」を実現する新しい強度制御法を提案する．Si酸化膜をモデルケースとし，Si-QDの核形成～成長・結晶化に至るメカニズムを実験的／解析的に理解した上でSi-QD配列の破壊強度への効果をナノ力学実験で実証する．マクロスケールの破壊をもSi-QD配列で完全制御できることを確認し，高強度（平均強度50%UP）＋極小ばらつき（従来比1/10）の目標達成に挑む．この新しい「材料強度アクティブ制御」技術を確立して酸化物脆性材料の強度予測を容易にし，素材の性能・機能を最大限活かす「極小安全率」機械構造デザインを提供する材料／構造設計法を創出する．初年度となる2022年度，まず，Si-QDを形成できるEB照射条件の探索を行った．電子顕微鏡もEB照射システムを用いて加速電圧ならびにビーム電流を変化させ，Si熱酸化膜に照射した後，透過電子顕微鏡（TEM）やラマン分光装置などでSi-QDの評価を行った．また，Si-QDがSi酸化膜の強度に及ぼす影響を調べるため，ナノスケール引張試験とマイクロスケール曲げ試験の準備を行った．ここでは，試験片の作製方法と試験技術の双方を確立した．

本研究では，酸化物脆性材料が持つ「強度不足とばらつき」問題に対し，電子線（Electron Beam: EB）照射で局所還元させて形成する量子ドット（Quantum Dot: QD）を巧みに配列させ，その周辺を応力集中源としてき裂進展経路を人為操作して高靭化する「材料強度アクティブ制御」技術を構築し，「高強度＋極微小ばらつき」を実現する新しい強度制御法を提案する．Si酸化膜をモデルケースとし，Si-QDの核形成～成長・結晶化に至るメカニズムを実験的／解析的に理解した上でSi-QD配列の破壊強度への効果をナノ力学実験で実証する．マクロスケールの破壊をもSi-QD配列で完全制御できることを確認し，高強度（平均強度50%UP）＋極小ばらつき（従来比1/10）の目標達成に挑む．この新しい「材料強度アクティブ制御」技術を確立して酸化物脆性材料の強度予測を容易にし，素材の性能・機能を最大限活かす「極小安全率」機械構造デザインを提供する材料／構造設計法を創出する．初年度となる2022年度，まず，Si-QDを形成できるEB照射条件の探索を行った．電子顕微鏡もEB照射システムを用いて加速電圧ならびにビーム電流を変化させ，Si熱酸化膜に照射した後，透過電子顕微鏡（TEM）やラマン分光装置などでSi-QDの評価を行った．また，Si-QDがSi酸化膜の強度に及ぼす影響を調べるため，ナノスケール引張試験とマイクロスケール曲げ試験の準備を行った．ここでは，試験片の作製方法と試験技術の双方を確立した．