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結晶の⽋陥構造を設計・制御した超構造のセラミックス - 東北⼤など
マイナビニュース 1⽉31⽇(⾦)18時42分配信

東北⼤学 原⼦分⼦材料科学⾼等研究機構(WPI-AIMR)は1⽉
30⽇、東京⼤学総合研究機構、英ヨーク⼤学物理学科との共同研究により、スーパーコンピュータによる計算と元素識別可能な分析装置(電⼦エネルギー損失分光器)を搭載した「超⾼分解能⾛査透過電⼦顕微鏡」を駆使して、セラミックスの1種である「酸化マグネシウム」内の結晶の⽋陥構造を設計・制御し、原⼦レベルでまったく新しい超構造を作りだす
写真: マイナビニュース

ことに成功したと発表した。

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成果は、WPI-AIMRの幾原雄⼀教授(東京⼤学⼤学院 ⼯学系研究科 総合研究機構教授、財団法⼈ファインセラミックスセンターナノ構造研究所主管研究員併任、京都⼤学構造材料元素戦略研究拠点教授を併任)、王中⻑ 准教授、斎藤光浩助教らの研究チームによるもの。研究の詳細な内容は、英国時間1⽉30⽇付けで英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

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しかしセラミックスが⾦属材料と異なる点は、まずそれに含まれる原⼦の種類の多さや結合状態(イオン結合性や共有結合性)に起因して、⼤変複雑で独特な結晶構造を持つことが挙げられる。
また、原⼦の種類や割合(組成)を変えることによって、例えば、「絶縁体のように電気が流れない状態から⾦属のようにスムーズに電気が流れる状態への変化」のように、⾦属材料では不可能な特性(電気や熱、光の伝わり⽅など)の⾃在な制御が可能になりつつあり、セラミックス注目の情報

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は学術と⼯学の両⾯から新たな展開や領域開拓、その体系化が期待されているところだ。
セラミックスにおいて、結晶構造の⽋陥は特に重要であり、透明導電性やイオン伝導性、超伝導性などの優れた電気特性(電気の流れやすさ)の観点から活発に研究開発が⾏われてきた。この電気特性は、セラミックス特有の複雑な結晶構造のわずかな変化(歪みや⽋陥など)によってPR著しく変化する。逆に、歪みや⽋陥を意図的に制御すれば、電気特性の向上、さらには新奇な特性の発現が期待できるというわけだ。
研究チームは、セラミックスの結晶の⽋陥部である「転位」そのものに着目してきた。転位とは、原⼦の配列あるいは結晶格⼦の乱れが1つの線に沿って⽣じているものであり、結晶固体に外から引っ張りや圧縮などの⼒を加えると、ある程度以上⼤きい⼒に対しては、転位が導⼊され、変形を起こしたまま元に戻らない塑性変形を引きおこす。また、転位芯近傍では、本来の結晶とは異なる特有の構造や電⼦状態を形成している。

http://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20140131-00000152-mycomj-sci

2014/02/26

結晶の欠陥構造を設計・制御した超構造のセラミックス - 東北大など （マイナビニュ... 2/4 ページ

研究チームによれば、バルク結晶には存在しない構造を持つ転位そのものに、特異な物性が期待されるという(画像1)。これまで難しいとされてきた原⼦構造の⼈⼯制御は、界⾯上に規則配列した転位をターゲットとすることで、理論的にも実験的にも取り扱い易くしたことで可能になりつつある。
このような超構造を固体内に閉じ込めることができ、デバイスへの応⽤の容易さやハンドリングの良さだけでなく、学術的にも固体-量⼦構造の相互作⽤効果(電⼦やスピン制御)も期待で

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きる段階に来ているという。さらに、量⼦構造を⾼密度に⾃⼰配列させることができれば、⼤「単純なミス」？ ⼩保⽅さん研究画像に疑惑の目〈ＡＥＲＡ〉 dot. 2⽉25⽇(⽕)16時12分

容量化によってデバイスとして⼯業的な実⽤化も可能だとする。

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画像1は、転位の構造。○印が原⼦、原⼦の列が切れている箇所を"逆T印"で⽰されているが、ここが転位であり、線状の格⼦⽋陥だ。応⼒をかけて結晶を変形させるとすべり⾯に沿って転位が動き、結晶が変形する。すなわち、転位は変形や加⼯の源となる⽋陥であるが、これまではその原⼦の構造が不明だったというわけだ。
今回の研究のねらいは、スーパーコンピュータによる⼤規模な構造モデル計算と最先端の超⾼分解能⾛査透過電⼦顕微鏡を併⽤することによって、最適なセラミックス材料の組み合わせや機能、安定転位芯構造を予測し、実験的に特別な機能を持ったまったく新しい超構造を原⼦ス

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ピュータで予測し、それとまったく同じ原⼦構造を忠実に結晶界⾯に集積させる実験に成功しPRたというわけである。
なお超⾼分解能⾛査透過電⼦顕微鏡は、0.1nm程度まで細く絞った電⼦線を試料上で⾛査し、試料により透過散乱された電⼦線の強度で試料中の原⼦を直接観察できる機能を持つ顕微鏡だ。
今回の研究では、スーパーコンピュータを⽤いた理論計算(第⼀原理計算)によって、酸化マグネシウムの接合結晶界⾯で形成される安定原⼦構造、電⼦状態を、さまざまな元素の組み合わせや結晶の接合⾯⽅位、接合角、終端原⼦⾯の極性、結晶並進対称性など、複数のパラメータを変えてシミュレーションが⾏われた。
画像2〜6に⽰されているように、同じ結晶の等価な低指数⾯を1〜2度ほど傾けて接合した「対称傾角バイクリスタル結晶界⾯」では、上下の結晶における格⼦のミスマッチを補正するために、転位が周期的に配列することが予測されるという。
スーパーコンピュータによるシミュレーションでは、画像7(および画像8)の3種類の転位芯構造が安定であることが⾒出された。また、それぞれの転位はバルクにはない特徴的な電⼦状態も所有おり、伝導性が付与できることもわかった。
この計算結果に基づいて、実際に結晶を特定の角度で切り出し、鏡⾯加⼯・洗浄後、⾼温で接合した。画像2〜6は実際にバイクリスタル接合法を⽤いて合成された界⾯の透過型電⼦顕微鏡像であり、点状のコントラストの転位が規則的に並んでいることがわかる。これは1次元的に伸びる転位線を、その⻑⼿⽅向から⾒ている投影像だ。約10nm間隔の並びは、格⼦ミスマッチを補正するために、導⼊された転位の配列を表してる。
さらに倍率を上げて、転位1つ1つの局所原⼦構造を最先端の球⾯収差⾛査透過型電⼦顕微鏡で観察した。画像9の⾼角環状暗視野(HAADF-STEM)像からは、この予測に⼀致した転位芯構造をとらえることができているのが⾒て取れ、望みの原⼦構造を⼈⼯的に合成できたことが確認された。計算によると、それぞれの転位芯の持つエネルギーは、ほぼ等価であることがわかった。
画像7の左の画像では転位の中⼼に⼤きな空間「バーガースベクトル」を持った転位芯構造を持つのに対して、画像7の中・右の画像では、バーガースベクトルが⼩さな2つ転位に縦や横に分解している様⼦がとらえられている。このように計算で予測された転位構造の多形性が、

http://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20140131-00000152-mycomj-sci

2014/02/26

結晶の欠陥構造を設計・制御した超構造のセラミックス - 東北大など （マイナビニュ... 3/4 ページ

実際に実験で確認されたことは、本分野において画期的な結果だ。なお画像10は、転位の模式図。
今回の研究では、物質の構成元素の識別が可能な超⾼分解能⾛査透過電⼦顕微鏡法とスーパーコンピュータによる⼤規模な原⼦構造計算を駆使して、転位芯構造を予測し、これに基づいてバイクリスタルを設計することで、固体内にまったく新しい超構造を創出することに成功した
形だ。
特に、結晶界⾯上の転位に着目することで、理論的にも実験的にも取り扱えることが成功のカギであり、近年の超⾼分解能⾛査透過電⼦顕微鏡とスーパーコンピュータの技術⾰新との相乗効果によって、今回の成果に⾄ったとする。セラミックスにこれまで存在していなかったような転位芯構造を⼈⼯的に合成した画期的な結果だという。今後、今回の成果から転位制御によるセラミックス材料の⾼性能化に関する研究のさらなる進展が期待できるとしている。
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最終更新:1⽉31⽇(⾦)18時42分

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