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Effect of annealing on crystal and local structures of doped zirconia using experimental and computational methods

実験および計算機シミュレーションによるジルコニアの結晶構造および局所構造に対するアニーリング効果評価

伊藤 孝憲*; 森 昌史*; 犬飼 学*; 仁谷 浩明*; 山本 孝*; 宮永 崇史*; 井川 直樹; 北村 尚斗*; 石田 直哉*; 井手本 康*

Ito, Takanori*; Mori, Masashi*; Inukai, Manabu*; Nitani, Hiroaki*; Yamamoto, Takashi*; Miyanaga, Takashi*; Igawa, Naoki; Kitamura, Naoto*; Ishida, Naoya*; Idemoto, Yasushi*

放射光X線や中性子線回折によるリートベルト解析・最大エントロピー法解析、X線吸収スペクトル法と第一原理計算を併用することによって、2種類のジルコニア((Zr$$_{0.85}$$Y$$_{0.15}$$)O$$_{2}$$および(Zr$$_{0.81}$$Sc$$_{0.18}$$Ce$$_{0.01}$$)O$$_{2}$$)の結晶構造や局所構造に対するアニーリング効果の相違を調べた。これらジルコニアは共に空間群${it Fm}$-3${it m}$で、大きな原子変位パラメータを持つ立方晶構造であるが、(Zr$$_{0.85}$$Y$$_{0.15}$$)O$$_{2}$$はアニーリングによって原子変位パラメータが減少し、結晶中の電子は、Zr/酸素サイトに集まる傾向を示した。一方、(Zr$$_{0.81}$$Sc$$_{0.18}$$Ce$$_{0.01}$$)O$$_{2}$$ではこれとは逆の傾向を示した。これらの傾向の違いは、(Zr$$_{0.85}$$Y$$_{0.15}$$)O$$_{2}$$ではアニーリングによってジルコニア結晶を構成するZrO$$_{8}$$多面体では局所的な歪みが生じるがその周期性はないこと、一方、(Zr$$_{0.81}$$Sc$$_{0.18}$$Ce$$_{0.01}$$)O$$_{2}$$中のZrO$$_{8}$$多面体は周期性を有し、かつ局所的な歪みが生じるためであることが明らかになった。

The effects of the annealing process on the crystal and local structures of the doped zirconia were investigated by Rietveld refinements of synchrotron X-ray and neutron diffraction, maximum entropy method (MEM), X-ray absorption spectroscopy (XAS) and first principles calculation (FPC). This study reveals that the crystal structures of the sintered and annealed ((Zr$$_{0.85}$$Y$$_{0.15}$$)O$$_{2}$$ and (Zr$$_{0.81}$$Sc$$_{0.18}$$Ce$$_{0.01}$$)O$$_{2}$$) are cubic with the space ${it Fm}$-3${it m}$ having large atomic displacement parameters (${it U}$). For the annealed (Zr$$_{0.85}$$Y$$_{0.15}$$)O$$_{2}$$, the ${it U}$ values reduce, and the electrons around the Zr/oxide ion sites gather at the center of each site. On the other hand, the annealed (Zr$$_{0.81}$$Sc$$_{0.18}$$Ce$$_{0.01}$$)O$$_{2}$$ shows the opposite tendency to that of the annealed (Zr$$_{0.85}$$Y$$_{0.15}$$)O$$_{2}$$.

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分野:Chemistry, Physical

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