对添加了钇原子的氧化锆陶瓷晶界进行超灵敏原子分辨率X射线分析的结果

通过蒙特卡罗计算，对钇原子晶界的稳定排列进行理论预测的结果

    东京大学和大阪大学在2016年3月24日宣布了一项新发现：氧化锆陶瓷晶界的钇偏聚结构在原子尺度为规则的晶体结构。氧化锆陶瓷是燃料电池的固体电解质，这项发现有可能为高性能陶瓷材料开发提供一个新方向。
   固体电解质使用的氧化锆陶瓷(ZrO₂)中添加了钇(Y)等不同的元素，用来提高特性。添加钇虽然能增强晶体内部的离子传导性，但会在晶界等界面发生浓集(偏聚)，阻碍晶界的离子传导。因此，不同元素在晶界发生的偏聚现象，一直被认为是导致电池特性劣化的一大因素。
   这一次，研究人员使用具有1埃(10-10m)以下分辨率的原子分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)和超灵敏X射线成分分析方法，对添加了钇原子的氧化锆陶瓷的晶界进行了原子尺度的组成分布分析。结果显示，在晶界附近几纳米的范围内，钇浓度在原子尺度形成了深浅交错的规则结构。而按照以往观点，钇原子只是单纯浓集，并不形成规则结构。
   而且，通过原子尺度的蒙特卡罗计算进行理论分析的结果证明，在晶界结构、钇、氧空位的相互作用下，这种规则结构非常稳定。这种规则结构与无法在添加了钇的氧化锆陶瓷中达到稳定状态的烧绿石型晶体结构非常相似，可以认为是在晶界这一特殊环境下形成的结构。
   这项研究成果在原子尺度为解明陶瓷中添加的不同元素在晶界等界面上的分布情况、以及对于功能特性的影响积累了基础知识，有望成为发现性能劣化的原因并对其实施控制的方针。而且还表明，通过精确控制晶界偏聚，可以创造出使晶界单独具备其他功能的新晶相。英国科学期刊《自然通讯(Nature Communications)》在线版已于3月23日(日本时间)公开了这项成果。