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第一原理計算 / セラミックス固溶体 / 平衡状態図 / 熱力学 / 統計力学

本研究では，高精度第一原理計算と統計力学計算を組み合わせて，酸化物の固溶体構造と物性を評価する新しい計算手法を開発し，具体的にプログラムとして実装，計算を実行した．計算結果の検証と，計算手法の改良を目的として，固溶体試料の合成および評価実験を並行して行い，計算にフィードバックさせた．さらに，開発した手法を様々な酸化物固溶体に適用した．例えばMgO-ZnO系やMgO-NiO系において基底状態構造や磁気構造，平衡状態図を求めた．また，欠陥蛍石型構造をもつBi2O3において有限温度下における酸化物イオンの平均分布を評価した．

酸化物 / ノンストイキオメトリ / 第一原理計算 / 熱力学 / 統計力学

酸化物の多彩な機能と密接に関係する非化学量論性(ノンストイキオメトリ)について,構造と自由エネルギー,機能の一般的な相関性を解明することを究極の目的とし,高精度の第一原理計算と統計力学手法を組み合わせた新しい第一原理熱力学手法を開発した.また,この手法を用いて2元系金属酸化物やペロブスカイトなどの複合酸化物に応用した結果,新しい規則相の存在やノンストイキオメトリの起源となる新たな欠陥種を提案した

セラミックス / 計算状態図 / 第一原理計算 / 熱力学 / 相転移 / 状態図計算 / 比熱 / 固溶体 / 薄膜

酸化物のモデル系としてMgOおよびZnO基の2元系などを対象に,有限温度での相転移挙動,溶質元素の固溶限の導出,中間相生成の検討という3つの課題を設定し,系統的な第一原理熱力学計算を行うとともに,これを実験により検証した.また圧力依存性についても,計算と実験の両面から検討した.検証実験としては,MgOおよびZnO基の2元系などの様々な酸化物モデル系を対象に,通常の常圧下での高温熱平衡実験,高温高圧下での熱平衡実験,パルスレーザー成膜(PLD)法により合成した過飽和固溶体など準安定平衡相の相分離実験を行った.実験と計算値の齟齬が大きい場合には,理論計算にフィードバックをかけ,計算モデルの精度について検討した.
具体的には,第一原理熱力学法に基づいた計算状態図作成技術を確立させ,網羅的な計算を行った.第一原理フォノン計算により比熱の温度依存性を求め,それを積分してエンタルピー,エントロピー,自由エネルギーを算出した.これにクラスター展開法およびモンテカルロ計算を連携させることにより,固溶体の自由エネルギーを導出した.また,常圧下での高温熱平衡実験,高温高圧下での熱平衡実験,パルスレーザー成膜(PLD)法により合成した過飽和固溶体についてX線回折,X線分光実験を行い,計算結果を検証した.その結果,ZnO-MgO,ZnO-A1_2O_3,Ga_2O_3-MnGa_2O_4固溶体の局所構造の決定やSn-O系における一連のホモロガス構造の存在の予測などの重要な成果が得られた.

【研究連携者】
大場史康	京都大学	大学院工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
世古敦人	京都大学	大学院工学研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
大場史康	京都大学	大学院・工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
世古敦人	京都大学	大学院・工学研究科	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
松永克志	京都大学	工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
大場史康	京都大学	工学研究科	教授	(Kakenデータベース)
西谷滋人	関西学院大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)
桑原彰秀	京都大学	工学研究科	助手	(Kakenデータベース)