弾性定数を基点としたナノメカニクスの新展開～超音波計測と第一原理計算の融合～

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固体の弾性定数は,室温から冷却することにより一般的に増加する傾向を示す.しかし,Pdの弾性定数は低温域で異常な温度依存性を示すことが報告されているが,その根本的な原因については殆どわかっていない.そこで報告者は密度汎関数理論に基づく第一原理電子論計算を行い,Pdの低温における異常弾性の根本的原因の究明を行った.報告者は本研究において,Pdの弾性定数における異常な温度依存性に及ぼす電子状態の影響に着目し,フォノン温度と電子温度という二つの独立したパラメータを導入した.フォノン温度は熱ひずみとして,緩和後の原子間距離の変化として導入する.電子温度はk点足し上げの際のブロードニングとして導入される.フォノン温度と電子温度を独立に導入し,Pdの弾性定数に及ぼすフォノンの影響が一般の材料と同様であること,および電子温度の影響によりせん断弾性定数C_<44>が顕著に減少することがPdの異常弾性の原因であることを明らかにした.次に,この理論計算結果を実験によって裏づけする,現実の材料中においてはフォノンと電子は熱平衡状態にあり,お互いの温度に瞬時に追随するため,片方の温度のみを固定して実験を行うことは困難である.しかし,巨視的にはフォノン温度とは熱膨張そのものであるため,原子間距離の変化(=弾性ひずみ)を与えることにより,現実の温度からフォノン温度のみを変化させた状態を再現することができる.一般的に,固体材料では塑性緩和のため大きなひずみを与えることはできないと考えられているが,厚さ数十nmという薄膜においては,転位の運動が阻害され10^<-2>オーダーの巨大な弾性ひずみが発生することが知られている.そこでSi基板上に製膜されたPdナノ薄膜の膜厚方向弾性定数の温度依存性をピコ秒超音波計測装置で精密に調査した.薄膜は基板との線膨張係数の違いにより,冷却にともなって膜厚方向に強く圧縮される.実験の結果,理論予測の通りPdナノ薄膜の膜厚方向弾性定数は通常の材料と似た挙動を示すことを確認した.