九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1902010A

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL15

（様式第 5 号）

X 線異常散乱法を用いた金属ガラスの熱的ひずみによる若返り効
果の構造学的探求Ⅱ
Structural investigations on rejuvenation effects with thermal strain in metallic
glasses by anomalous x-ray scattering
細川伸也、黒木元海、大城孝敏、皆川雄大

Shinya Hosokawa, Motomi Kuroki, Takatoshi Oogi, Yudai Minagawa
熊本大学

Kumamoto University
※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概 要（注：結論を含めて下さい）
Gd 系 金 属 ガ ラ ス の 熱 サ イ ク ル 処 理 に よ る 若 返 り 効 果 が 原 子 構 造 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら
か に す る た め に 、や や 構 造 不 均 質 性 が 低 い と 想 定 さ れ て い る Gd 6 5 Ni 3 5 を 対 象 と し て 、液体窒素と室温の温度サイクルを繰り返す熱処理を行う前の状態で X 線異常散乱実験を行 っ た 。 得 ら れ た 散 乱 ス ペ ク ト ル に は 、 Gd L I I I あ る い は Ni K 吸 収 端 付 近 で の 入 射 X 線
エ ネ ル ギ ー に よ っ て 小 さ な コ ン ト ラ ス ト を 示 し て お り 、 Gd お よ び Ni 構 成 元 素 の ま わ り
で局所構造が異なっていることを示唆する。

（ English ）To clarify the structural change by a rejuvenation effect with thermal treatments, anomalous
X-ray scattering experiments were carried out on a Gd 6 5 Ni 3 5 metallic glass having a relatively
low structural inhomogeneity before the temperature cycling between liquid N 2 and room
temperatures. The obtained X-ray scattering spectra have slight contrasts with the incident
X-ray energies near the Gd L I I I and Ni K absorption edges, which suggest different local
structures around the Gd and Ni constituent elements.

２．背景と目的
最近注目されている金属ガラスの若返り効果、すなわち高いエネルギー・レベルへの緩和現象で、試料の温度を何度も繰り返して変化させることによっても引き起こされる現象であることがわかってきた。Ketovら[1]による解釈では、ガラスが不均質であれば熱膨張率に分布が生じるので、温度変化を繰り返すことによって、大きく体積変化を起こす部分とそうでない部分の間にせん断力が生じ、この部分に若返りを引き起こす。そのため不均質性の大きなガラスほどその効果は大きいとされる。
このロジックの正当性についてはさまざまな議論がなされている。
山崎は、Gd-TM（TM：遷移金属）金属ガラスについて構造緩和の研究を精力的に行い、顕著なβ緩和ピークを観測した[2]。特にGd65Co35合金が大きなピークを持つことを見出した。また、TMによってβ緩和ピークの大きさに差があることがわかった。すなわち、不均質性がGd-TM金属ガラス中に存在することが予想されるとともに、その不均質性はTMの種類によってやや異なる、すなわちCoやCuよりNiが大きいことが想定されている。
われわれはGd65Co35金属ガラスについて、室温と液体窒素温度間での温度変化サイクルを40回繰り返した試料を対象として、X線異常散乱（AXS）実験をフランスESRFで行った。逆モンテカルロ（RMC）法によって求めた部分動径分布関数gij(r)のGd-CoおよびCo-Coの部分構造には、第二ピークに大きな差が見られる。しかしながらGd-Gdにはほとんど差がない。
本研究では、不均質性が大きいと考えられているGd65Ni35金属ガラスを対象としてAXS実験を行う
ことにより、温度サイクルによる金属ガラスの若返り効果と部分原子構造の関係を総合的に判断することを試みた。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
今回は、熱処理を行う前のGd65Ni35金属ガラスについてAXS実験を行った。試料は東北大学金属材料研究所でメルト・スパン法を用いて、およそ0.05×2×30 mm3のフォイルを作製した。AXS測定は、（Gd LIIIおよびNi K）吸収端付近で、20および200 eV低いエネルギーで行い、そのコントラストを求める。測定は、通常のw-2q ディフラクトメータを用い、検出器はSDDを用いてエネルギー分解を行った。目的の弾性散乱X線を蛍光X線やコンプトン散乱X線から分離することは、散乱X線の検出器と試料に対して対象な位置すなわち入射X線とほぼ同じ位置に固定した同じ性能のSDDを配置して行う。２つの検出器で得られるスペクトルの差を求め、蛍光X線やコンプトン散乱X線はデータから除去する[3]。
４．実験結果と考察
図 1 に、（左）Gd LIII および（右）Ni K 吸収端より-20（赤）および-200 eV（青）で得られた散乱 X線スペクトルを示す。スペクトルには、わずかな結晶によると思われる小さなピークが見られるが、それ以外は比較的良質なデータを得ることができた。小さな入射 X 線エネルギーの変化ではあるが、得られた散乱スペクトルには数％のコントラストが観測された。一見すると、それぞれのスペクトルにはあまり違いが無いように思えるが、詳細に観測すると、第一ピークと第二ピークの高さの比が異なるなど、一定のコントラストが観測される。今後、詳細にデータ解析を行い、それぞれの差構造因子DkS(Q)を求め、それを用いて逆モンテ・カルロ法によって部分構造を求める。

Gd65Ni35 glass

Intensity (Arb. units)

Intensity (Arb. units)

Gd65Ni35 glass
Gd LIII edge-200 eVNi K edge-200 eV-20 eV-20 eV0246-1Q (nm )8100246810-1Q (nm )図 1：（左）Gd LIII および（右）Ni K 吸収端より-20（赤）および-200 eV（青）で得られた散乱 X 線スペクトル５．今後の課題
次回の測定では、同じ試料に液体窒素温度と室温との温度サイクルを 40 回繰り返し、同じ AXS 実
験およびデータ解析を行うことにより、熱処理が原子構造に及ぼす効果を詳細に明らかにする。また今後、SPring-8 において高エネルギーX 線回折実験[4]を行い、広い Q 範囲における構造情報をデータ解析に加え、さらに信頼性のある結果を目指す。
６．参考文献[1] S. V. Ketov et al., Nature 524, 200 (2015).
[2] 山崎由勝、博士論文（東北大学、2016）[3] J. R. Stellhorn, S. Hosokawa, and E. Magome, AIP Conf. Proc. 2054, 050012 (2019).
[4] 細川伸也ほか、SPring-8 課題 2020A1500
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
まだありません。

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
金属ガラス、X 線異常散乱、構造不均質性
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください。提出期限は利用年度終了後 2 年以内です。例えば 2018 年度実施課題であれば、2020 年度末（2021 年 3 月 31日）となります。
）
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

① 論文（査読付）発表の報告② 研究成果公報の原稿提出（報告時期： 2020 年 10 月）（提出時期：
年月）