セラミックス粒界の定量化と機能設計

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酸化亜鉛およびチタン酸ストロンチウムセラミックスについて,結晶粒界に起因する電気的特性の起源となる界面原子・電子構造を定量化し機能の設計を行うため,経験的分子動力学法と第一原理法を併用して界面の原子配列および電子状態の最適化計算を行った.また,計算により得られた界面原子・電子構造を検証するため,透過型電子顕微鏡法による高分解能像観察とエネルギー分散型x線分光法および電子線エネルギー損失分光法による界面局所化学組成・結合状態の評価を行い,電気的特性と関連づけて評価した.特に,酸化亜鉛双結晶および薄膜試料について中心的に電子顕微鏡観察を行い,粒界の原子構造を系統的に調べた.その結果,[0001]方向を回転軸とする酸化亜鉛傾角粒界は刃状転位列として一般的に記述できることがわかった.観察された原子構造を理論計算の結果と照らし合わせて解釈することにより,このような界面には高密度の結合欠損が存在することが判明した.しかしながら,双結晶中に人工的に作製した同種の界面は,結合欠損を含有するにもかかわらずオーミックな電気的特性を示した.これは,酸化亜鉛中において結合欠損が電気的に不活性であることを示しており,理論計算の結果とも合致する.また,添加物の役割を調べるため,プラセオジウムとコバルトを添加した双結晶を作製し,粒界付近の不純物の分布と電気的特性との関係を調べた結果,粒界の電気的活性化は主に界面近傍に存在する空孔に起因すると結論づけられた.また,セラミックス異相界面の原子・電子構造についても電子顕微鏡法と第一原理法による評価を行った結果,界面の局所原子配列・化学組成は界面形成時の化学環境に依存して変化することがわかった.さらに,界面エネルギーと原子構造の詳細な検討から,理想的な界面構造を意図的に形成するための理論的指針を得た.