新開発の原子分解能磁場フリー電子顕微鏡で、鉄鋼粒界の原子配列を解明：研究開発の最前線

東京大学は、新開発の原子分解能磁場フリー電子顕微鏡を用いて、鉄鋼粒界の原子配列の観察に成功した。鉄鋼粒界の原子配列の解明により、高性能な鉄鋼材料の開発への応用が期待される。

[MONOist]

　東京大学は2023年12月6日、新開発の原子分解能磁場フリー電子顕微鏡（Magnetic-field-free Atomic-Resolution STEM：MARS）を用いて、鉄鋼粒界の原子配列の観察に成功したと発表した。

原子分解能磁場フリー電子顕微鏡により明らかにされた鉄鋼材料の粒界原子配列［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　MARSは、東京大学と日本電子が共同開発した電子顕微鏡となる。磁場のない環境で原子配列を直接観察できるため、磁性を持つ試料の観察に対応する。

　研究では、ケイ素を3％添加したケイ素鋼を用いて、他の結晶方位の粒界よりも熱処理中に移動しやすいΣ9粒界を人工的に作製して観察。その結果、これまでに予測されていた安定原子配列とは異なる粒界原子配列を確認した。

（a）ケイ素鋼Σ9粒界を110方向から観察したSTEM像。矢印は結晶方位を示す。（b）結晶粒界の複数の同一原子配列部分を平均したSTEM（走査透過電子顕微鏡法）像。（c）先行研究で予測された安定原子配列。（d）直接観察結果（b）と先行研究の予測原子配列（c）の比較 出所：東京大学

　さらに、理論計算を組み合わせて解析したところ、原子配列は3種類の多面体から構成されており、多面体の配列が変化してもほぼ同等の粒界エネルギーを示した。このことから、現実の結晶粒界は、単純な周期を持たない非整合配列になっていることが示唆された。

（a）安定原子配列の観察方向からの投影配列。観察方向に対して奥行きの位置の違いを青色と水色で表す。（b）安定原子配列を観察像に重ねた比較。全ての原子配列が一致している。（c）安定原子配列を観察方向に対して垂直方向から見た図。（d，e，f）粒界の原子配列を構成する3つの原子配列多面体 出所：東京大学

　電磁鋼板として用いられるケイ素鋼は、変圧器やモーター、発電機の鉄心に利用される鉄鋼材料だ。エネルギー効率が高い鉄心を製造するには、結晶粒界を制御し、磁界のかかる方向に磁化容易軸をそろえた結晶粒にする必要がある。Σ9粒界はこの結晶方位をそろえるトリガーになるが、その構造はこれまで明らかになっていなかった。

　鉄鋼粒界の原子配列の解明により、原子レベルからの新材料製造プロセスの構築や、高性能な鉄鋼材料の開発への応用が期待される。

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