Recent research on image crystals; Discovery of shape-controllable cavities surrounded by facets in ceramics

イメージクリスタルに関する最近の研究動向; セラミックス中に発現するファセットで囲まれた形状制御可能なキャビティー

芹澤 弘幸  

Serizawa, Hiroyuki

負結晶とは、単結晶中に発生するキャビティーで、それ自体が格子面によって囲まれている実態のない結晶のことを言い、鉱物学の分野ではよく知られた存在である。我々は、UO中でのヘリウム挙動に関する実験を進めていて、ヘリウムガスバブルが、熱処理の過程でこの負結晶へと変化することを見出した。また、熱処理温度を変化させ、試料壁面に発現した負結晶の形状を詳細に観察するうちに、負結晶の形状が3種類あり、内圧の変化によって、その形状が決まることを明らかにした。格子面の成長過程で形成されるはずの立方八面体のキャビティーは、発見することができなかった。これは、格子面の表面積が異常に大きくなること、及びギブス・トムソン効果によるものではないかと推察される。本研究では、表面自由エネルギーの小さいがよりも早く成長し始めることがわかった。この現象をSTEP FREE ENERGY MODELによって説明した。現在、静電加速器を用いてイオン注入したヘリウムを析出させることによりCeO薄膜中に発現させる試験を実施しており、既にナノメーターサイズの負結晶を発生させることに成功している。

My investigation on cavities in ceramics was triggered by the unexpected discovery of a polyhedral cavity in a UO matrix. The SEM image that attracted my attention was a cavity observed in the fracture surface of a single-crystal of UO that was heat-treated in helium at 90 MPa, followed by annealing at high temperature for 1 h. The cavity was the so-called negative crystal which is sometimes seen in a broken mineral casually. The negative crystal was formed by the precipitation of helium during heat treatment after Hot Isostatic Pressing (HIP) injection. In a series of experiments, I noticed that the shape of the negative crystal changes depending on the heat-treatment history. We also confirmed that nanosized image crystals can be formed in CeO matrix.