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【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所　教授　几原雄一

【発表のポイント】

• 时间分解型の原子分解能电子顕微镜法により、结晶粒界における添加元素の拡散过程の直接観察に成功した。
• 実験と理论计算を组み合わせることで、结晶粒界において空孔?格子间拡散机构により高速拡散が诱起されることをはじめて明らかにした。
• 电子顕微镜法と理论计算による原子レベルでの拡散机构の理解に基づき、効率的で高性能な多结晶体材料の开発に繋がることが期待される。

【概要】

东京大学大学院工学系研究科附属総合研究机构の几原雄一东京大学特别教授（兼：东北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）教授）、柴田直哉教授、石川亮特任准教授、二塚俊洋特任研究员らのグループは、名古屋大学の松永克志教授、横井达矢准教授と共同で、原子分解能电子顕微镜法（注1）と理论计算（シミュレーション、注2）により、原子が结晶粒界（注3）に沿って高速拡散（注4）する机构を明らかにしました。

セラミックスの多结晶体に极微量の添加元素を导入すると、さまざまな材料物性の性能を向上させることができます。これまでに、结晶粒界が添加元素の高速拡散経路であることは知られていましたが、原子レベルでの高速拡散机构は不明でした。本研究では、ハフニウム（Hf）を添加した酸化アルミニウム（α-Al₂O₃）の结晶粒界を対象に、时间分解型の原子分解能走査透过型电子顕微镜（STEM）（注5）を用い、个々のHf原子が结晶粒界に沿って拡散する様子を追跡することに成功しました。さらに、机械学习ポテンシャル（注6）を用いた大规模な分子动力学计算（注7）により、结晶粒界特有の格子间サイト（注8）を経由する新しい拡散机构を明らかにしました。これらの発见は、结晶粒界を介したイオン伝导など、材料特性の设计に新たな指针を与えるものです。

本研究成果は、2025年10月17日（英国夏时间）に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲载されました。

【用语解説】

（注1）原子分解能电子顕微镜法
0.1苍尘以下に収束した电子线で试料上を走査し、透过?散乱した电子线の强度分布から原子配列を直接観察する手法。现在の空间分解能は0.04苍尘にまで达しており、材料内部の结晶粒界などの原子构造を直接観察できる。

（注2）理论计算（シミュレーション）
コンピューターを用いて材料の性质を予测する计算手法。

（注3）结晶粒界
多结晶体の结晶粒子间に形成される界面。微细な结晶粒により构成される多结晶体中には多数の结晶粒界が存在する。

（注4）拡散
固体中の原子が浓度勾配に従って移动する现象。

（注5）走査透过型电子顕微镜（厂罢贰惭）
（注1）を参照。电子线を1苍尘以下に収束し、试料上を収束した电子线で走査することにより、试料を透过?散乱した电子线の强度分布を用いて结像する方法。特に、0.1苍尘以下に収束した电子线を用いる场合、原子像が直接観察できるので、本报では原子分解能电子顕微镜法と呼んでいる。

（注6）机械学习ポテンシャル
机械学习により、量子力学计算で求めた原子间相互作用を学习した原子间ポテンシャル。量子力学计算と近い精度かつ高速の计算が可能である。本研究では、学习にニューラルネットワークを用いた。

（注7）分子动力学计算
运动方程式を解き、原子の动きを追跡する理论计算手法。

（注8）格子间サイト
原子が占有しない结晶格子间の原子サイトのこと。结晶内部では通常、格子间サイトの占有には高いエネルギーが要求される。

【论文情报】

雑誌名：Nature Communications
題　名：Direct observation of substitutional and interstitial dopant diffusion in oxide grain boundary
著者名：Toshihiro Futazuka, Ryo Ishikawa*, Tatsuya Yokoi, Katsuyuki Matsunaga, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara*
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详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学材料科学高等研究所
教授　几原　雄一
TEL: 022-217-5929
E-mail: yuichi.ikuhara.b3*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学材料科学高等研究所
広报戦略室
TEL: 022-217-6146
E-mail: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）