科学技術振興機構の広報誌「JSTnews」 第71回

【JSTnews2月号掲載】NEWS&TOPICS　戦略的創造研究推進事業さきがけ　研究課題「電子線照射を活用した原子分解能その場観察法の開発と材料研究への応用」　戦略的創造研究推進事業ERATO　柴田超原子分解能電子顕微鏡プロジェクトスラ量子物性の解明」

原子分解能電子顕微鏡法で、結晶粒境界における添加元素の拡散状況を観察

　材料開発では、融点より低い温度で加熱して焼き固める焼結という処理を通じて、さまざまな元素を添加することで反応を促進し、微細構造を制御します。セラミックスは原子配列の向きがそれぞれ異なる領域である「結晶粒」が多数集まった構造をしており、添加した元素は焼結の進行に伴って、結晶粒の境界面に沿って拡散することがわかっています。しかし、境界の中のどの原子位置を通って拡散するのかについては、これまで明らかになっていませんでした。

　東京大学大学院工学系研究科のフウビン特任准教授、柴田直哉教授らの研究グループは、原子レベルの分解能を持つ電子顕微鏡法を用いて、チタン（Ti）原子がセラミックス材料であるアルミナ結晶粒の境界を拡散する際にどのような原子位置を通過するのか、拡散先端における境界の原子構造がどのように変化するのかを調べました。その結果、非対称な原子構造を持つアルミナ結晶粒の境界にTi原子が拡散して濃度が増すと、境界の原子構造が非対称構造から対称構造へと変化することを発見しました。さらに拡散速度を比較したところ、対称構造におけるTi原子の拡散速度は、非対称構造の10倍以上に達することが判明しました。すなわち、粒界が対称構造に転移した瞬間に拡散が急激に加速される「二段階拡散現象」が存在することを初めて示したのです。

　この成果は、セラミックスにおける最適な焼結条件の設定や、形成される微細構造の予測に活用できる可能性があります。今後、効率的で高性能な多結晶材料の開発につながることが見込まれます。

表面近傍1マイクロ（マイクロは100万分の1）メートル以内はTi原子が多く存在し原子構造は対称構造であるが（a）、境界である深さ約1マイクロメートルでは赤点線部分で非対称－対称の構造変化が起き（b）、それより深い位置では非対称構造になる（c）。

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