不純物輸送が拓く結晶成長の二つの道

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2025-04-15 東京大学

2種類のタイプの結晶成長の様子

東京大学先端科学技術研究センターの田中肇特任研究員らの国際共同研究チームは、コロイド分散系を用いて結晶成長過程における不純物の輸送を単一粒子レベルで可視化し、結晶成長が「連続成長」と「溶融・再結晶化」の二つのモードに分岐することを発見しました。小さな結晶粒では不純物が粒界に効率的に排除され連続的な成長が促進される一方、大きな結晶粒では不純物が成長界面に蓄積し、局所的な溶融と再結晶化が繰り返されることが明らかになりました。この成果は、結晶成長における不純物制御の新たな戦略を提供し、高純度結晶の製造や合金の微細構造制御への応用が期待されます。​

<関連情報>

結晶成長に対する不純物の影響 Impact of impurities on crystal growth

Qiong Gao,Huang Fang,Dong Xiang,Yanshuang Chen,Hajime Tanaka & Peng Tan
Nature Physics  Published:15 April 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-025-02870-4

extended data figure 1

Abstract

Impurities critically influence crystallization, a process fundamental to both physical sciences and industrial engineering. However, understanding how impurity transport affects crystallization presents substantial experimental challenges. Here we visualized crystallization at the single-particle level for a relatively high concentration of impurities. We observed a bifurcation in growth modes—continuous growth or melting and recrystallization—governed by the ability of the system to remove impurity particles from the growth front. The initial nucleation configuration determines the crystal grain size and growth-front morphology, which in turn influence impurity transport. Small grains promote lateral impurity transport to grain boundaries, thus reducing impurity concentration and favouring continuous growth, whereas larger grains accumulate impurities, leading to melting and recrystallization. We reveal that the latter arises from the competition between crystallization and vitrification, which is a form of devitrification. This study provides insights into the relation between impurity concentration and crystallization pathways and highlights how the initial configuration shapes the final crystal morphology.

0500化学一般
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