セラミックス中への量子細線創製とナノスケール構造解析

本研究は,原子分解能を有する走査透過型電子顕微鏡(STEM)を主として用い,酸化アルミニウム(Al_2O_3)中の格子不整合領域(転位及び粒界)に局在化したドーパントの電子・原子構造を解析し,ドーパントによる機能発現機構の解明と機能設計のための指針を得ることを目的としている.Al_2O_3中転位を量子細線として利用するにはドーパントを転位に局在化させる必要がある。これまではTiを用いてきたが,本年度は他の3d遷移元素(V及びFe)を用いて量子細線の作成を試みた.結果的にV量子細線の作成に成功し,電気伝導を発現させることに成功した.また,STEMを用いてVナノ細線の原子・電子構造を解析した.特にZコントラスト法によるVの局所原子構造観察とEELSによる局所電子状態解析を行った.また,これと平行して第一原理バンド計算法を用いてAl_2O_3中のVの電子状態計算を行った。得られた状態密度をEELSによる実験結果と比較検討することで,Vナノ細線の電気伝導性発現の電子論的メカニズムを検討することができた.また転位以外の格子不整合領域(粒界)に局在化したドーパントの原子・電子構造解析を行った。YはAl_2O_3粒界に偏析することで高温変形挙動を劇的に改善することが知られている。Zコントラスト法によるY添加Al_2O_3双結晶粒界の観察から,Yが粒界に周期的に存在していることを明らかにした。格子静力学計算及び第一原理計算を用いた解析から,Yが粒界上の特定のサイトに存在しており,周辺の化学結合に影響していることを突き止めた。Y添加による機能改善機構を究明することができた。

本研究は,原子分解能を有する走査透過型電子顕微鏡(STEM)を主として用い,酸化アルミニウム(Al_2O_3)中の格子不整合領域(転位及び粒界)に局在化したドーパントの電子・原子構造を解析し,ドーパントによる機能発現機構の解明と機能設計のための指針を得ることを目的としている.Al_2O_3中転位を量子細線として利用するにはドーパントを転位に局在化させる必要がある。これまではTiを用いてきたが,本年度は他の3d遷移元素(V及びFe)を用いて量子細線の作成を試みた.結果的にV量子細線の作成に成功し,電気伝導を発現させることに成功した.また,STEMを用いてVナノ細線の原子・電子構造を解析した.特にZコントラスト法によるVの局所原子構造観察とEELSによる局所電子状態解析を行った.また,これと平行して第一原理バンド計算法を用いてAl_2O_3中のVの電子状態計算を行った。得られた状態密度をEELSによる実験結果と比較検討することで,Vナノ細線の電気伝導性発現の電子論的メカニズムを検討することができた.また転位以外の格子不整合領域(粒界)に局在化したドーパントの原子・電子構造解析を行った。YはAl_2O_3粒界に偏析することで高温変形挙動を劇的に改善することが知られている。Zコントラスト法によるY添加Al_2O_3双結晶粒界の観察から,Yが粒界に周期的に存在していることを明らかにした。格子静力学計算及び第一原理計算を用いた解析から,Yが粒界上の特定のサイトに存在しており,周辺の化学結合に影響していることを突き止めた。Y添加による機能改善機構を究明することができた。