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 ： 2105044F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL11

（様式第 5 号）

加 熱 下 で の そ の 場 XAS 測 定 に よ る Mg 97 Zn 1 Gd 2 合 金 中 Gd 原 子 の局
所構造変化の追跡
In-situ observation of the local structure change of Gd in Mg 9 7 Zn 1 Gd 2 alloy by X-ray
absorption spectroscopy
西 堀 麻 衣 子 1, 2 ･二 宮 翔 1 ･板 本 航 輝 2

Maiko Nishibori 1,2 ・ Kakeru Ninomiya 1 ・ Koki Itamoto 21 東北大学・2 九州大学

1※１※２※３※４Tohoku University・ 2 Kyushu University

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）
溶 体 化 処 理 し た Mg 9 7 Zn 1 Gd 2 合 金 に 対 し て 、673 K 等 温 保 持 条 件 下 の Gd-L 3 吸 収 端 in-situ
Quick XAFS 測 定 を 行 い 、 LPSO 構 造 形 成 に 伴 う Gd の 局 所 構 造 ・ 化 学 状 態 変 化 の 追 跡 を
試 み た 。そ の 結 果 、673 K 保 持 中 の ス ペ ク ト ル 形 状 は 0–20 分 の 間 で 急 激 に 変 化 し 、そ の
後 60 分 ま で 緩 や か に 変 化 し た 。 Zn-K XAFS ス ペ ク ト ル 形 状 変 化 と 同 じ 傾 向 を 示 し た こと か ら 、 673 K 保 持 中 の Gd-L 3 XAFS ス ペ ク ト ル 形 状 変 化 は LPSO 構 造 形 成 過 程 を 反 映
し て お り 、 Zn と Gd は 類 似 し た 拡 散 挙 動 を 示 す こ と が 示 唆 さ れ た 。
（ English ）The local structure and electronic state changes of Gd atoms with aging for solution-treated
Mg 9 7 Zn 1 Gd 2 alloy were investigated by in-situ XAFS measurements for the Gd-L 3 absorption
edge. The shape of spectra changed rapidly between 0 and 20 min. It then changed slowly until
60 min under the aging at 673 K. Similar changes were observed in Zn-K XAFS spectra,
suggesting that the changes in Gd-L 3 XAFS spectra reflect the formation process of LPSO
structure, that Zn and Gd show similar diffusion behavior.

２．背景と目的遷移金属元素（TM）と希土類元素（RE）を含むマグネシウム合金は、原子配列の構造変調（積層欠陥）と濃度変調（溶質原子濃化層）が長周期に同期した構造（LPSO 構造）を持つ。溶質原子濃化層は TM6RE8 組成の L12 クラスタから構成され、面内・面間で規則的に配列することが知られている。
Mg97Zn1Gd2 合金は熱処理温度によって形成する LPSO 相の形態や分布が変化する[1]。このことから、熱処理温度に依存して LPSO 相形成に係る反応過程が異なることが予想され、詳細な形成機構の議論が望まれている。
溶体化処理した Mg97Zn1Gd2 合金に対して 673 K および 723 K 保持下でのその場 Zn-K XAFS 測定を実施した結果、熱処理にともなうスペクトル形状変化が確認された。673 K 保持下では、熱処理開始
後 1 時間で L12 クラスタが形成された一方で、723 K 保持下では常に Zn が孤立した状態で存在することがわかった。したがって、673 K と 723 K の間に Zn の挙動が大きく変わる臨界点が存在することが示唆された。また、LPSO 構造形成のためには希土類元素の添加が必須となっているが、希土類元素が形成機構に及ぼす効果は未知であった。
そこで本課題では、溶体化処理を施した Mg97Zn1Gd2 合金を対象とした加熱条件下での in-situ XAFS
スペクトル測定により、LPSO 構造の形成に至る Gd の局所構造変化を追跡する。これまでの測定結果と合わせて考察し、各合金元素の局所構造変化から、高温保持中の Zn と Gd の相互作用を議論する。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
Mg97Zn1Gd2合金インゴットは、アルゴン雰囲気下で高周波誘導加熱炉を用いて作製した。溶体化処理は、793 Kで2時間加熱した後、室温で水焼入れすることで行った。その後、試料を約300 μmの薄片となるよう研磨を施した。この試料を出発材とし、673 K等温保持条件下でのin-situ Quick XAFS測定を実施した。測定に使用した加熱用実験セルおよびその配置をFig. 1に示す。
昇温速度は10 oC/minとし、673 Kで2時間保持したのち、室温まで空冷した。加熱中は試料の酸化を抑制するためにHeガスを100 sccmで流通した。XAFSスペクトルはFig. 1 加熱用実験セルおよびその配置Gd-L3吸収端を透過法により取得した。Quick XAFS測定は240 s毎に実施し、空冷後にもXAFSスペクトル測定を行った。
４．実験結果と考察
Fig. 2 に 673 K 等温保持条件下での Gd-L3 吸収端 in-situ
XAFS スペクトル測定結果を示す。なお、図中 ST は溶体化処理、0–120 min は 673 K 保持中の試料から取得したスペクトルである。熱処理時間に依存してピーク A の強度が増加することや、ピーク B およびピーク C の位置（エネルギー）が低エネルギー側にシフトすることが確認できた。ピーク B の位置は 0–20 min で急激に、20–60 min にかけて緩やかに低エネルギー側にシフトしており、60 min以降はほとんど変化しなかった。ピーク B 位置変化の傾向が変わるタイミング（20 min, 60 min）は、これまでの課題で実施した Zn-K XANES スペクトルが変化するタイミングと一致していた。このことから、673 K 保持中のGd-L3 XANES スペクトル形状変化は LPSO 構造形成過程

Fig. 2 673 K温保持条件下でのGd-L3吸を反映しており、Zn と Gd は類似した拡散挙動を示すこ

収端in-situ Quick XAFS測定結果とが示唆された。

５．今後の課題
スペクトルシミュレーションを併用し、より詳細なスペクトル解析を行う必要がある。
６．参考文献[1] Y. Jono, M. Yamasaki, Y. Kawamura, Mater. Trans., 54, 5 (2013) 703–712.
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）
これまでに本テーマと関連する実験を SAGA-LS BL11、AichiSR BL8S3 および SPring-8 BL28B2,
BL37XU で実施しており、これらの結果および本課題の結果を基に論文投稿を行う予定である。これまでに得られた成果は、以下の論文および学会発表にて公表している。
1) 二宮翔, 西堀麻衣子, 「X 線吸収分光法による低次元マテリアルの構造解析」, セラミックス, 55(2020) 567.
2) 二宮翔、藤野滉平、西堀麻衣子, 「X 線吸収分光によるシンクロ型 LPSO-Mg 合金の局所構造解析」,
第 33 回日本放射光学会年会 放射光科学合同シンポジウム, 11P066 (2020).
3) 二宮翔、板本航輝、西堀麻衣子, 「その場加熱 XAFS 測定による Mg-Zn-Gd 合金中 L12 クラスタ形成過程の追跡」, 第 14 回九州シンクロトロン光研究センター研究成果報告会, P-10 (2020).
4) 西堀麻衣子, 「材料組織設計の次世代放射光ソリューション」, 2020 年度資源素材関係学協会合同
秋季大会, 2K0101-04-04 (2020).

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）
Mg-LPSO 合金、L12 クラスタ、X 線吸収分光

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（報告時期：2022 年3 月）