セラミックスにおける新拡散メカニズムを発見～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～

2025-11-10 東京大学

東京大学大学院工学系研究科の幾原雄一特別教授・柴田直哉教授らの研究チームは、アルミナセラミックスにチタンを添加した際の粒界拡散メカニズムを原子分解能電子顕微鏡と理論計算により解明し、拡散に伴って粒界構造自体が変化する「二段階拡散過程」を世界で初めて実証した。STEMとEDX分析の結果、Ti濃度の増加により粒界が非対称構造から対称構造へ転移し、対称構造領域では拡散速度が10倍以上加速することを確認。この構造変化を伴う拡散（粒界相変態）は焼結過程を支配する主要因の一つであり、セラミックスの高緻密化・高機能化を導く新指針となる。さらに理論計算でもTiの経路と構造転移が一致し、観察結果の合理性を裏付けた。本成果は、焼結条件設計や添加元素制御による材料開発を根本から革新する知見として期待される。研究論文はNature Communications誌に掲載。

本研究の概要：アルミナセラミックス（Al₂O₃）結晶粒界（赤丸はアルミニウム（Al）原子）をチタン（Ti）原子（緑丸）が拡散する過程の模式図。拡散は、(a)から(e)へと進行する。(a)における粒界構造は非対称であり、少量のTiが拡散しても非対称構造のままである(b)。しかし、Tiの量が多くなると、対称構造に変化し(c)、この対称構造が粒界の中へと拡散していく(d)(e)。本研究では、このような粒界構造変化を伴う粒界拡散が存在することを初めて実証した（二段階拡散過程）。

＜関連情報＞

構造変化を伴うドーパントの二段階粒界拡散機構 Two-step grain boundary diffusion mechanism of a dopant accompanied by structural transformation

Chuchu Yang,Bin Feng,Toshihiro Futazuka,Naoya Shibata & Yuichi Ikuhara
Nature Communications Published:07 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-65745-5

Abstract

Dopant diffusion along grain boundaries (GBs) plays a critical role in modulating the GB chemistry, which further governs the microstructures and properties of polycrystalline materials. Here, we investigate atomistic GB dopant diffusion behaviors by directly tracing GB structures and chemistries in a Ti-diffused Al₂O₃ GB, using atomic resolution electron microscopy, spectroscopy and theoretical calculations. Our observations unveil that dopant diffusion introduces a GB structural transformation. Furthermore, such structural transformation leads to an unexpected dramatic variation of GB diffusion coefficients for Ti diffusion, which differ by one order of magnitude between the two different GB structures. These findings provide mechanistic insights into the dopant diffusion and segregation phenomena in GBs, providing fundamental understanding towards the intricate nature of GB diffusion processes.