東京大學研究生院工學系研究科附屬綜合研究機構的幾原雄一東京大學特別教授（兼任日本東北大學材料科學高等研究所教授）、柴田直哉教授、石川亮特任副教授、二塚俊洋特任研究員等人組成的研究團隊，與名古屋大學的松永克志教授、橫井達矢副教授合作，通過原子分辨率電子顯微法與理論計算（模擬），揭示了原子沿晶界高速擴散的機制。相關研究成果已發表在期刊《Nature Communications》上。
圖1 時域分辨STEM圖像顯示Hf在α-Al2O3晶界中的擴散（供圖：東京大學）
(a)-(c)Hf在Al位點間豎鍛.(d)-(f)Hf通過間隙位點豎鍛.
向陶瓷多晶體引入極微量的添加元素時，可使多種材料物性的性能得到提升。這些引入多晶體的添加元素會優先沿晶界擴散，並在晶界處偏析。此前學術界雖已對晶界沿線添加元素的宏觀濃度分佈進行過解析，但對晶界偏析在燒結時如何形成這一點仍不明確。此外在理論計算領域，針對燒結現象中晶界擴散的研究極為有限。
研究團隊使用具備原子分辨率的時域分辨型原子分辨率掃描穿透電子顯微術（STEM），成功實現了氧化鋁（α-Al₂O₃）晶界中Hf（鉿）原子沿晶界擴散現象的直接觀察。該晶界具有由Al原子構成的、兩個7元環與兩個6元環週期性排列的結構。觀察到的Hf原子擴散過程被分類為在晶界內Al位點之間的擴散，以及通過晶界內間隙位點的擴散。研究還發現，通常在晶體內部，通過間隙位點的擴散因被認為需要極高能量而幾乎無法實現，但在晶界處，間隙位點對高速擴散發揮著重要作用。
研究團隊還通過利用超級電腦的理論計算，解析了Hf原子的晶界擴散機制。該計算採用了名古屋大學松永-橫井小組開發的機器學習位能函數。使用被稱為「模擬退火法（Simulated Annealing）」的結構搜尋演算法，確定了氧化鋁晶界最穩定的原子結構，並評估了Hf原子在晶界中的缺陷形成能。結果表明，晶界處Hf原子與Al空艙的密集大幅增加了Hf原子與Al空艙的相遇概率，據信這通過空艙交換機制促進了Hf原子擴散。
最後，研究團隊通過理論計算評估了Hf原子的擴散路徑與活化能。結果顯示，在晶界的大部分區域，通過空艙交換機制實現的Hf原子擴散，其活化能低於晶體內部，擴散得到了顯著促進（晶界處平均為1.37eV，而晶體內部為2eV）。然而，關於間隙擴散，研究確認存在由多個Al原子與Al空艙參與的、活化能顯著低至0.5eV的路徑。研究揭示，在晶界結構相較於晶體發生大幅畸變的位置，通過間隙位點的擴散的活化能較低，實現了晶界擴散的高速化。
本次研究通過融合尖端電子顯微法與理論計算的分析，成功直接觀察了添加元素在晶界中的擴散，並明確了添加元素會通過空艙與間隙位點的交換機制高速擴散。基於該發現，通過控制添加元素在晶界處的擴散行為，有望提升離子導電、電子傳輸、熱導率等材料性能。基於原子級擴散機制理解的材料設計，也有望推動高效率且高性能的新材料開發。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Direct observation of substitutional and interstitial dopant diffusion in oxide grain boundary
DOI：10.1038/s41467-025-64798-w
