セラミックス粒界における高速原子拡散の直接観察に成功~セラミックスの焼結メカニズムの解明と新たな粒界設計指針の構築~

2025-10-17 東京大学

東京大学(幾原雄一特別教授・柴田直哉教授ら)と名古屋大学の共同研究チームは、時間分解型の原子分解能STEMを用い、セラミックス粒界における添加元素の高速拡散を世界で初めて直接観察した。対象はHfを微量添加したα-Al2O3粒界で、Hf原子が粒界上を移動する様子を逐次撮像し、(1) 粒界内Alサイト間の空孔交換、(2) 粒界特有の格子間サイトを介する拡散という二経路を同定。機械学習ポテンシャルによる大規模MD計算と組み合わせ、A7/B7ユニット近傍で欠陥形成エネルギーが低下し、活性化エネルギーも結晶内(約2.0 eV)より低いこと(平均1.37 eV、格子間経路では0.5 eVの局所経路も)を示した。焼結時の粒界偏析・拡散の起源を原子レベルで解明し、粒界設計によるイオン伝導・機械特性の最適化など高性能多結晶体創製の指針を与える成果で、Nature Communicationsに掲載された。

セラミックス粒界における高速原子拡散の直接観察に成功~セラミックスの焼結メカニズムの解明と新たな粒界設計指針の構築~
本研究の概要

<関連情報>

酸化物粒界における置換型および間隙型ドーパント拡散の直接観察 Direct observation of substitutional and interstitial dopant diffusion in oxide grain boundary

Toshihiro Futazuka,Ryo Ishikawa,Tatsuya Yokoi,Katsuyuki Matsunaga,Naoya Shibata & Yuichi Ikuhara
Nature Communications  Published:17 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-64798-w

Abstract

Grain boundaries (GBs) serve as fast diffusion paths for dopant atoms, and the segregated dopants can significantly alter the materials’ properties. However, the exact mechanism of fast dopant diffusion along the GBs, particularly at atomic scale, is still unclear. Here we show direct observation of preferential GB diffusion of Hf dopant atoms along the Σ31 symmetric tilt GB in α-Al2O3, using time-resolved atomic-resolution scanning transmission electron microscopy and statistical tracking of Hf atom locations. Molecular dynamics simulations incorporating artificial neural network interatomic potentials reveal that Hf atoms preferentially diffuse along the GB by exchanging with co-segregated Al vacancies at the GB. Moreover, we demonstrate that GB interstitial diffusion can greatly enhance the diffusivity of Hf atoms along the GB, where shuffle motion plays a key role in lowering the activation energies for GB diffusion.

0501セラミックス及び無機化学製品
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