異種元素添加アルミナ結晶粒界の原子構造と形成雰囲気依存性

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アルミナ多結晶体中にはしばしば，微量の不純物元素が存在しこれらの不純物元素は粒界近傍に偏析する傾向にあり，粒界偏析現象は諸特性と密接に関係しているため，不純物が偏析した場合の粒界構造について原子レベルで理解することは重要な研究課題である．アルミナの代表的な不純物元素であるSiは異常粒成長を引き起こす元素であり，異常粒成長の発生には粒界ファセットの形成が関与していると考えられている．しかしながら，粒界ファセットの形成メカニズムについてはわかっていない．本研究では，双結晶法によりモデル粒界を作製し，走査透過型電子顕微鏡 (STEM) およびSTEM-EDS (エネルギー分散型Ｘ線分光器), STEM-EELS (電子エネルギー損失分光法) により，無添加およびSi添加粒界における粒界原子構造やSiの存在する原子サイトを明らかにした．その結果，Si添加粒界では，Siは粒界近傍に偏析し，特定の面を粒界面とする粒界ファセットが形成されていることが分かった．また，STEM観察結果から，粒界ファセットの形成には，Siが粒界に形成する特徴的な原子構造が関与していることが示唆された．粒界ファセットの形成は粒成長挙動と深く関係していると考えられており，本研究で得られた知見は，アルミナ多結晶体における粒成長変化のメカニズムを理解する上で基礎的で重要な知見であると考えられる．また，前年度までの研究結果を踏まえ，新たに二つの粒界性格の異なる粒界を双結晶法により作製し，その粒界構造を原子レベルで明らかにした．併せて，第一原理計算を行い，得られた実験像が第一原理計算で予測された原子構造によく一致することを明らかにした．