セラミック炭化ケイ素における放射線再分布原子

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セラミック炭化ケイ素における放射線再分布原子
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アメリカの科学者は、セラミック炭化ケイ素にイオンを照射すると、物質の粒界近くの炭素原子の濃度が増加することを発見しました。以前は、放射線の影響下で原子を分離するこのようなプロセスは、セラミック材料よりも金属や合金の方が特徴的であると考えられていました。多結晶の粒界は、結合の「セメント」の役割を果たします。したがって、それらの化学組成の変化は、材料の特性に大きな影響を与える可能性があります。科学者は、セラミックの特性に対する放射線の影響をより正確に予測し、攻撃的な条件に耐性のあるセラミック材料を作成できるようになります。この記事は、NatureMaterials誌に掲載されました。

放射線誘発分離のプロセスは、電離放射線の影響下での物質の原子の再分布にあります。物質に衝突する粒子(たとえば、イオンや中性子)は、原子をその場所からノックアウトし、結晶格子に点欠陥のペアを形成します。結晶格子サイトからノックアウトされた原子は格子間原子になり、それが配置されていた空のサイトは空孔になります。これらの欠陥は、結晶に沿って再結合または移動してシンクに達する可能性があり、その役割は、たとえば、多結晶の粒界によって果たされます。材料にこのような境界が存在すると、その物理的特性、機械的強度、耐食性、および耐放射線性に大きく影響します。

粒界近くの放射線の作用下での偏析のプロセスにより、物質の特定の元素の過剰または不足が形成される可能性があり、これはこれらの領域の材料の特性の局所的な変化につながります。この効果は1970年代から知られており、多くの金属合金でかなりよく研究されてきましたが、セラミック材料では実際には考慮されていません。

このギャップを埋めるために、ウィスコンシン大学マディソン校のIzabela Szlufarskaらは、セラミック炭化ケイ素SiCのサンプルに炭素イオンとシリコンイオンを照射しました。彼らは、原子間に共有結合を持つセラミックの典型的な代表としてこの材料を選びました。さらに、炭化ケイ素は、原子力発電で使用するための材料、および困難な条件で動作するための微小電気機械デバイスの作成のための材料と見なされています。

粒界付近の化学組成を決定し、偏析プロセスを観察するために、研究者は走査型透過電子顕微鏡と電子による特徴的なエネルギー損失の分光法を使用しました。高純度の出発成分から作られた炭化ケイ素の結晶構造では、炭素原子の濃度は約50原子パーセントに等しい。しかし、照射されなかったSiCサンプルでは、​​科学者たちは粒界近くに炭素原子が不足していることを発見しました。彼らは、期待値からのこの偏差を、境界の粒子がより秩序のない構造を持ち、バルクよりも多くの欠陥を含んでいるという事実と関連付けました。

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摂氏300度(左)と600度(右)の温度での照射の結果としての、粒界近くのセラミック炭化ケイ素中の炭素原子の動きの図(破線で示されている)。四角は炭素空孔(存在しない炭素が配置されるべき結晶格子サイト)、赤い矢印-格子間炭素原子の粒界への移動、青い矢印-空孔と格子間原子の再結合を示します

摂氏300度および600度の温度でサンプルに炭素およびシリコンイオンを照射すると、放射線によって誘発される炭素原子の偏析の顕著な効果が現れ、粒界近くのそれらの濃度が50原子パーセントになりました。この効果は、摂氏300度の温度でより顕著でした。温度範囲の下限は炭化ケイ素の融点から0.18、上限は0.28です。金属合金の場合、放射線による偏析の温度範囲は0.3〜0.5です。SiCの温度が低いということは、金属のモデルを単純に転送するだけでは偏析メカニズムを分析できないことを示しています。特に、金属とは対照的に、セラミックの点欠陥はより複雑なエネルギー地形にあるためです。

密度汎関数理論に基づく計算に基づいて、炭素およびシリコンの空孔の移動のために克服しなければならない潜在的な障壁は、空孔が観測された温度範囲全体にわたって実質的に動かないままであるという事実につながります。再結合のために一対のシリコン欠陥(空孔と格子間イオン)によって克服されなければならないポテンシャル障壁は、炭素原子の場合よりも小さい。その結果、粒界に移動する欠陥の流れは、主に格子間炭素原子で構成されます。摂氏600度の温度では、格子間炭素がバルク内の空孔と再結合するプロセスがより活発になり、粒界近くの炭素濃度が低下します。

研究ノートの著者が指摘しているように、炭化ケイ素における放射線誘発偏析のプロセスを理解することは、このセラミック材料および他のセラミック材料の特性に対する放射線の影響を予測するのに役立ちます。さらに、放射線を使用して粒界の特性を「微調整」することができ、したがって材料全体を全体として使用することができます。

先ほど、アメリカの科学者が開発した超高速高温焼結法についてお話しました。これは、複雑な形状のほぼすべてのセラミック材料から1分以内に物体を合成することができます。そして、ロシアの材料科学者たちは、記録的な融点を持つ材料を何とか作成しました。彼らの推定によると、それは摂氏4000度から4200度の範囲です。

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