走査型透過電子顕微鏡法を用いたセラミック材料界面のサブナノ構造解析と機能特性

使用扫描透射电子显微镜对陶瓷材料界面进行亚纳米结构分析和功能特性

基本信息

批准号：
17760558
负责人：
柴田直哉
金额：
$ 2.18万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、機能性セラミックスの粒界機能、特性発現メカニズムを明らかにするため、精密に方位を制御された単結晶同士を高温で張り合わせることにより、モデル粒界を有する双結晶試料を作製し、その粒界を超高分解能STEMにより、観察・分析した。本研究では、ジルコニア、アルミナ、チタン酸ストロンチウム、チタニア等のバイクリスタル作製を行った。また、このような粒界部に各種ドーパントをドープすることにより、粒界におけるドーパント効果の本質的理解に挑戦した。これらのモデルバイクリスタルサンプルに対して、高分解能STEM観察を行った結果、粒界部にはさまざまな種類のサブナノスケールの規則構造が存在することが明らかとなった。また、この構造単位内部には、酸化物が酸素の副構造を取る故に形成される配位数欠損を有するカチオンサイトが存在し、このようなサイトと不純物偏析、余剰エネルギー等の現象が密接に関連することが明らかとなった。異なる種類のセラミックスバイクリスタル粒界を横断的に観察した結果、このような構造的特徴は多くの酸化物粒界に共通するものであることが示唆された。実験的に得られた粒界原子構造の妥当性を検証するために、格子静力学計算、第一原理計算による粒界構造、粒界偏析サイトの理論予測を行った結果、STEM像で得られたドーパント偏析原子サイトが、理論計算ではもっとも偏析エネルギーが低い(偏析しやすい)サイトに対応することが明らかとなった。このような偏析構造と粒界の電気的・機械的特性が密接に関連することが示され、粒界直下における電子構造、化学結合状態、空孔形成メカニズムの重要性が示された。セラミックスの粒界機能を理解するためには更なるサブナノレベルの構造的理解が重要であると考えられる。

在这项研究中，为了阐明晶界函数和功能陶瓷表征的机制，将具有精确取向的单晶粘合在一起，在高温下键合，以创建具有模型晶界的双晶样品，并使用超高分辨率茎观察并分析了晶界。在这项研究中，使用氧化锆，氧化铝，钛酸盐，钛和其他材料制成双晶体。此外，通过在这种晶界处掺杂各种掺杂剂，我们挑战了对晶界掺杂剂效应的基本理解。这些模型自行车晶体样品上的高分辨率茎观测表明，在晶界存在各种类型的亚纳米级有序结构。此外，在该结构单元内部有阳离子位点，由于氧化物采用氧气的亚结构而形成了配位缺陷，并且已经发现这些位点与诸如杂质隔离和盈余能量之类的现象密切相关。对不同类型的陶瓷自行车晶体边界的横截面观察表明，这种结构特征对于许多氧化物晶界都是共同的。为了验证实验获得的晶界原子结构的有效性，我们使用晶格静态计算，第一原理计算和晶界隔离位点对晶界结构进行了理论预测，并揭示了掺杂剂隔离位点在STEM图像中获得的位点相对于较低的隔离能量（均值隔离）（均匀隔离）。晶界的这种隔离结构以及晶界的电气和机械性能已被证明是密切相关的，表明电子结构，化学键状态和空位形成机制的重要性直接在晶界下方。人们认为，进一步的亚纳米级结构理解对于理解陶瓷的晶界功能很重要。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Atomic structure and relaxation behavior at AlN(0001)/Al_2O_3(0001) interface

AlN(0001)/Al_2O_3(0001)界面的原子结构和弛豫行为

DOI：
发表时间：
2006
期刊：
J.Ceram.Soc.Jpn. 114
影响因子：
0
作者：
Y.Tokumoto;T.Mizoguchi;Y.Sato;N.Shibata;T.Yamamoto;Y.Ikuhara
通讯作者：
Y.Ikuhara

Bonding nature of metal/oxide incoherent interfaces by first-principles calculations

DOI：
10.1103/physrevb.74.125423
发表时间：
2006-09-01
期刊：
PHYSICAL REVIEW B
影响因子：
3.7
作者：
Matsunaga, Katsuyuki;Sasaki, Takeo;Ikuhara, Yuichi
通讯作者：
Ikuhara, Yuichi

Dopant-segregation-controlled ZnO single-grain-boundary varistors

DOI：
10.1063/1.1899762
发表时间：
2005-04
期刊：
Applied Physics Letters
影响因子：
4
作者：
Y. Sato;M. Yodogawa;Takahisa Yamamoto;N. Shibata;Y. Ikuhara
通讯作者：
Y. Sato;M. Yodogawa;Takahisa Yamamoto;N. Shibata;Y. Ikuhara

Interfacial structure in silicon nitride sintered with lanthanide oxide

氮化硅与镧系氧化物烧结的界面结构

DOI：
发表时间：
2006
期刊：
J.Mater.Sci. 41
影响因子：
0
作者：
C.Dwyer;A.Ziegler;N.Shibata 他
通讯作者：
N.Shibata 他

Grain boundary strengthening in alumina by rare earth impurities

DOI：
10.1126/science.1119839
发表时间：
2006-01-13
期刊：
SCIENCE
影响因子：
56.9
作者：
Buban, JP;Matsunaga, K;Ikuhara, Y
通讯作者：
Ikuhara, Y

DOI：
{{ item.doi }}
发表时间：
{{ item.publish_year }}
期刊：
{{ item.journal_name }}
影响因子：
{{ item.factor }}
作者：
{{ item.authors }}
通讯作者：
{{ item.author }}

数据更新时间：{{ journalArticles.updateTime }}

作者：
{{ item.author }}

数据更新时间：{{ monograph.updateTime }}

作者：
{{ item.author }}

数据更新时间：{{ sciAawards.updateTime }}

作者：
{{ item.author }}

数据更新时间：{{ conferencePapers.updateTime }}

作者：
{{ item.author }}

数据更新时间：{{ patent.updateTime }}

柴田直哉其他文献

Enhanced Unified Theory with Forward-Speed Effect Taken into Account in the Inner Free-Surface Condition

内部自由表面条件下考虑前进速度效应的增强统一理论

DOI：
10.5957/josr.04200028
发表时间：
2021
期刊：
Journal of Ship Research
影响因子：
1.4
作者：
関岳人;Sanchez-Santolino Gabriel;石川亮;幾原雄一;柴田直哉;折田清隆，谷和夫，鈴木亮彦，菅章悟，田中肇一;Yuhei KIKUYA and Saburo MATUNAGA;Hitoi TAMARU;Masashi Kashiwagi
通讯作者：
Masashi Kashiwagi