2023/03/10 更新

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オグラ ユウ
小椋 優
OGURA Yu
所属
大学院工学研究科 物質科学専攻 ナノ解析物質設計学 助教
大学院担当
大学院工学研究科
学部担当
工学部 物理工学科
職名
助教
外部リンク

学位 1

  1. 博士(工学) ( 2021年3月   名古屋大学 ) 

研究キーワード 3

  1. 転位

  2. 光学特性

  3. 結晶塑性

 

論文 18

  1. Atomic and electronic structure of grain boundaries in a-Al<inf>2</inf>O<inf>3</inf>: A combination of machine learning, first-principles calculation and electron microscopy

    Yokoi T., Hamajima A., Wei J., Feng B., Oshima Y., Matsunaga K., Shibata N., Ikuhara Y.

    Scripta Materialia   229 巻   2023年5月

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    出版者・発行元:Scripta Materialia  

    To accurately determine the atomic and electronic structures of symmetric tilt grain boundaries (GBs) in α-Al2O3, this work employed an artificial-neural-network (ANN) interatomic potential, density-functional-theory (DFT) calculation and scanning transmission electron microscopy (STEM) observation. An ANN-based simulated annealing method was demonstrated to efficiently screen candidate low-energy structures with reasonably high accuracy. For Σ7 and Σ31GBs with the [0001] tilt axis, which were absent in the training datasets for the ANN potential, their lowest-energy structures predicted from ANN and DFT calculations were in quantitative agreement with STEM images in terms of both Al- and O-column positions. The exact GB structures have enabled us to analyze quantitatively the relationship between their atomic and electronic structure. This work will be an important model case where a combination of machine-learning, theoretical calculation and experiment has successfully solved the problem of determining complicated GB structures and their electronic structures in α-Al2O3.

    DOI: 10.1016/j.scriptamat.2023.115368

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  2. Corrigendum to “Atomic structures of grain boundaries for Si and Ge: A simulated annealing method with artificial-neural-network interatomic potentials” [J. Phys. Chem. Solid. 173 (2023) 111114] (Journal of Physics and Chemistry of Solids (2023) 173, (S0022369722005315), (10.1016/j.jpcs.2022.111114))

    Yokoi T., Kato H., Oshima Y., Matsunaga K.

    Journal of Physics and Chemistry of Solids   176 巻   2023年5月

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    出版者・発行元:Journal of Physics and Chemistry of Solids  

    The authors regret the inclusion of author Hirotaka Kato. Professor Hirotaka Kato name has been removed from the article. The authors would like to apologise for any inconvenience caused.

    DOI: 10.1016/j.jpcs.2023.111273

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  3. Room-temperature plastic deformation modes of cubic ZnS crystals

    Kitou S., Oshima Y., Nakamura A., Matsunaga K., Sawa H.

    Acta Materialia   247 巻   2023年4月

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    出版者・発行元:Acta Materialia  

    Light environment drastically alters the plasticity of zinc sulfide (ZnS) single crystals: they exhibit ductility in darkness while brittleness in lights. This study investigated their microscopic deformation modes of the light-environment-dependent plasticity, by using synchrotron X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and scanning TEM (STEM) measurements. The XRD analyses disclosed that the ZnS crystals originally have two domains with almost the same volume fraction with a twin relationship and plastically deform in darkness, accompanying changes in the domain volume ratio (namely extinction of twins). It was also observed that the domain volume ratios become constant to be 0.2 at more than 10% plastic strains. The STEM analyses indicated that the deformation mode in darkness switches at around 10% plastic strain from slip deformation by glide of isolated partial dislocations to by simultaneous glide of paired partials inside the major domains. Although ZnS single crystals exhibited only a few percent of plastic strains in lights, localized glide of isolated partials and the resultant changes in domain volume ratios similar to in darkness were confirmed. That is, the deformation modes of ZnS at the initial stage were similar regardless of light environments although the macroscopic deformation behaviors were quite different.

    DOI: 10.1016/j.actamat.2023.118738

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  4. Ca-vacancy effect on the stability of substitutional divalent cations in calcium-deficient hydroxyapatite

    Saito Tatsushi, Ishikawa Yuto, Noda Yusuke, Yokoi Tatsuya, Oshima Yu, Nakamura Atsutomo, Matsunaga Katsuyuki

    JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY   106 巻 ( 2 ) 頁: 1587 - 1596   2023年2月

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    出版者・発行元:Journal of the American Ceramic Society  

    First-principles calculations were performed to reveal an effect of Ca vacancies on the stability of substitutional divalent cations M2+ (M = Mg, Zn, Sr) in Ca-deficient hydroxyapatite (dHAp). M2+ concentrations up to 20 mol% in dHAp were considered, and the most stable substitutional sites and their lowest energy configurations in the dHAp lattice were examined with the aid of a generic algorithm method. It was found that defect formation energies of substitutional M2+ are lower in dHAp than in stoichiometric HAp (sHAp) at all M2+ concentrations. This indicates that these M2+ ions are more favorably involved in dHAp than in sHAp, which is in reasonable agreement with experiment. Detailed analyses on atomic structures in dHAp show that the presence of a Ca vacancy varies its surrounding Ca–O bond lengths over a wide area so that Ca–O polyhedrons with various sizes are produced. As a result, M2+ ions can predominantly occupy Ca sites at which M2+ fits better, depending on the ionic radii of M2+. For Zn2+ substitution in dHAp, its defect formation energy decreases more with the increasing concentrations and has the minimum value at 15 mol%. Such a trend can be understood from changes in effective coordination numbers of Zn in dHAp.

    DOI: 10.1111/jace.18853

    Web of Science

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  5. Atomic structures of grain boundaries for Si and Ge: A simulated annealing method with artificial-neural-network interatomic potentials

    Yokoi T., Kato H., Oshima Y., Matsunaga K.

    Journal of Physics and Chemistry of Solids   173 巻   2023年2月

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    出版者・発行元:Journal of Physics and Chemistry of Solids  

    To accurately predict low-energy structures for symmetric tilt grain boundaries (GBs) in Si and Ge, artificial-neural-network (ANN) interatomic potentials are constructed and are combined with a simulated annealing (SA) method based on molecular dynamics simulations. The ANN-driven SA method is demonstrated to predict GB structures that are in good agreement with previous electron microscopy observations, without prior knowledge about their atomic configurations. Their GB energies also reasonably agree with density-functional-theory (DFT) calculations. By contrast, a conventional empirical potential fails to predict those GB structures. For misorientation angles 2θ≥93.37°, the lowest-energy structures are found to contain atomic configurations that cannot be reproduced by one repeat unit of the perfect crystal along the tilt axis. Such GB structures cannot be obtained using the γ-surface method, although it is most commonly used for exploring low-energy GB structures. These results highlight the importance of using simulation cells with multiple repeat units along the tilt axis and of performing the SA method with high-accuracy interatomic potentials transferable to GBs.

    DOI: 10.1016/j.jpcs.2022.111114

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  6. DFT calculations of carrier-trapping effects on atomic structures of 30° partial dislocation cores in zincblende II-VI group zinc compounds

    Hoshino S., Oshima Y., Yokoi T., Nakamura A., Matsunaga K.

    Physical Review Materials   7 巻 ( 1 )   2023年1月

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    出版者・発行元:Physical Review Materials  

    It was experimentally reported that II-VI group inorganic semiconductor crystals become harder and brittle by external light illumination. In order to reveal essential factors of the light illumination effect, systematic GGA+U calculations are performed for 30° partial dislocations in ZnSe and ZnTe, and the obtained results are discussed together with those for ZnS reported previously. It is found in these three crystal systems that the cores of pristine partial dislocations have unreconstructed atomic structures whereas their cores undergo atomic reconstruction energetically more favorably by trapping excess carriers. Such carrier trapping and atomic reconstruction of the dislocation cores are ascribed to the presence of excess electrostatic potentials at the cores due to ionic bonding characters of the host crystals. The dislocation core reconstructions decrease potential energies of the partial dislocations and can in turn increase Peierls-potential barriers for dislocation glide, corresponding to the observed hardening and brittleness by light illumination. The energy gains due to the dislocation-core reconstructions also depend on energy positions of the defect-induced levels that appear within the band gaps.

    DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.7.013603

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  7. 転位に形成される機能コアの最前線

    吉矢 真人, 中村 篤智, 藤井 進, 大島 優, 横井 達矢, 松永 克志

    まてりあ   61 巻 ( 10 ) 頁: 629 - 633   2022年10月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人 日本金属学会  

    DOI: 10.2320/materia.61.629

    CiNii Research

  8. 外部場に伴う無機半導体材料の室温塑性変形挙動の変化 査読有り

    中村 篤智, 大島 優, 松永 克志

    顕微鏡   56 巻 ( 3 ) 頁: 110 - 115   2021年12月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人 日本顕微鏡学会  

    <p>近年,脆く壊れやすいと考えられていた半導体材料が室温でも高い可塑性を示しうることが明らかとなっている.例えば,チタン酸ストロンチウム(SrTiO<sub>3</sub>)結晶では,点欠陥濃度を制御することで室温での塑性変形能(可塑性)が向上する.また,硫化亜鉛(ZnS)結晶では,光照射下では壊れやすいが,暗闇の中では大きな可塑性を発現する.このように従来想像すらされていなかった結晶の異常な可塑性が見出され,大きく注目を集めている.これら半導体ともセラミックスとも言える材料系は,脆いがゆえに構造材としての適正がなく,結果として専ら機能材料として利用されてきた.材料の脆さを克服できるメカニズムが見つかれば,そのメカニズムの理解は様々な材料系にとって非常に有用であり,構造材として利用できる材料系の拡大が期待される.本稿では,結晶の形状変化のその場観察および電子顕微鏡による転位組織観察を元に,SrTiO<sub>3</sub>よびZnSの可塑性向上に関する最新の研究を議論する.</p>

    DOI: 10.11410/kenbikyo.56.3_110

    CiNii Research

  9. 無機半導体中の転位挙動に及ぼす光環境効果の理解に向けたナノスケール力学試験手法の開拓

    中村 篤智, 方 旭飛, 松原 彩華, 大島 優, 松永 克志

    粉体および粉末冶金   68 巻 ( 11 ) 頁: 469 - 475   2021年11月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:一般社団法人 粉体粉末冶金協会  

    DOI: 10.2497/jjspm.68.469

    CiNii Research

  10. Switching the fracture toughness of single-crystal ZnS using light irradiation

    Zhu Tingting, Ding Kuan, Oshima Yu, Amiri Anahid, Bruder Enrico, Stark Robert W., Durst Karsten, Matsunaga Katsuyuki, Nakamura Atsutomo, Fang Xufei

    APPLIED PHYSICS LETTERS   118 巻 ( 15 )   2021年4月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Applied Physics Letters  

    An enormous change in the dislocation-mediated plasticity has been found in a bulk semiconductor that exhibits the photoplastic effect. Herein, we report that UV (365 nm) light irradiation during mechanical testing dramatically decreases the fracture toughness of ZnS. The crack tip toughness on a (001) single-crystal ZnS, as measured by the near-tip crack opening displacement method, is increased by ∼45% in complete darkness compared to that in UV light. The increase in fracture toughness is attributed to a significant increase in the dislocation mobility in darkness, as explained by the crack tip dislocation shielding model. Our finding suggests a route toward controlling the fracture toughness of photoplastic semiconductors by tuning the light irradiation.

    DOI: 10.1063/5.0047306

    Web of Science

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  11. Photoindentation: A New Route to Understanding Dislocation Behavior in Light

    Nakamura Atsutomo, Fang Xufei, Matsubara Ayaka, Tochigi Eita, Oshima Yu, Saito Tatsushi, Yokoi Tatsuya, Ikuhara Yuichi, Matsunaga Katsuyuki

    NANO LETTERS   21 巻 ( 5 ) 頁: 1962 - 1967   2021年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:Nano Letters  

    It was recently found that extremely large plasticity is exhibited in bulk compression of single-crystal ZnS in complete darkness. Such effects are believed to be caused by the interactions between dislocations and photoexcited electrons and/or holes. However, methods for evaluating dislocation behavior in such semiconductors with small dimensions under a particular light condition had not been well established. Here, we propose the "photoindentation"technique to solve this issue by combining nanoscale indentation tests with a fully controlled lighting system. The quantitative data analyses based on this photoindentation approach successfully demonstrate that the first pop-in stress indicating dislocation nucleation near the surface of ZnS clearly increases by light irradiation. Additionally, the room-temperature indentation creep tests show a drastic reduction of the dislocation mobility under light. Our approach demonstrates great potential in understanding the light effects on dislocation nucleation and mobility at the nanoscale, as most advanced technology-related semiconductors are limited in dimensions.

    DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04337

    Web of Science

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    PubMed

  12. 暗闇における無機半導体の異常な室温可塑性と変形に伴う物性変化

    中村 篤智, 大島 優, 松永 克志

    応用物理   90 巻 ( 3 ) 頁: 176 - 179   2021年3月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人 応用物理学会  

    <p>光環境が半導体材料の電気的性質に影響することは広く知られているが,力学的性質にどのような影響があるかはあまり理解されていなかった.筆者らは最近,無機半導体の1つである硫化亜鉛(ZnS)結晶が,暗闇下であれば室温でも金属並みの可塑性(変形能,柔軟性)を示すことを発見した.暗闇下における塑性変形量は塑性ひずみ量45%に達しており,無機半導体はもろいというこれまでの常識を覆すものだった.興味深いことに,暗闇下で塑性変形を受けたZnS結晶はもともと大きくバンドギャップが変化し,従来知られていなかった新奇な光物性を示すことも明らかになりつつある.このような物性の変化は,変形により導入された金属並みの高密度な転位が無機半導体中に特異な電子構造を形成していることによる.つまり,従来は悪者にすぎなかった結晶欠陥の転位を逆に有効利用することで,新奇な半導体物性の開拓が可能となると期待される.</p>

    DOI: 10.11470/oubutsu.90.3_176

    CiNii Research

  13. 無機半導体材料の力学特性に及ぼす光環境効果のマルチスケール計測

    中村 篤智, 大島 優, 松永 克志

    まてりあ   60 巻 ( 1 ) 頁: 30 - 34   2021年1月

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    記述言語:日本語   出版者・発行元:公益社団法人 日本金属学会  

    DOI: 10.2320/materia.60.30

    CiNii Research

  14. Carrier-trapping induced reconstruction of partial-dislocation cores responsible for light-illumination controlled plasticity in an inorganic semiconductor 査読有り

    K. Matsunaga, S. Hoshino, M. Ukita, Y. Oshima, T. Yokoi, A. Nakamura

    Acta Materialia     2020年8月

  15. Room-temperature creep deformation of cubic ZnS crystals under controlled light conditions 査読有り

    Y. Oshima, A. Nakamura, K.P.D. Lagerlöf, T. Yokoi, K. Matsunaga

    Acta Materialia     2020年8月

  16. Theoretical Calculations of Characters and Stability of Glide Dislocations in Zinc Sulfide 査読有り

    M. Ukita, R. Nagahara, Y. Oshima, A. Nakamura, T. Yokoi, K. Matsunaga

    Materials Transactions     2019年1月

  17. Extraordinary plasticity of an inorganic semiconductor in darkness 査読有り

    Y. Oshima, A. Nakamura, K. Matsunaga

    Science     2018年3月

  18. Structure of the basal edge dislocation in ZnO 査読有り

    A. Nakamura, E. Tochigi, R. Nagahara, Y. Furushima, Y. Oshima, Y. Ikuhara, T. Yokoi, K. Matsunaga

    Crystals     2018年3月

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科研費 2

  1. 無機半導体転位における光応答の実験的観測

    研究課題/研究課題番号:22K14500  2022年4月 - 2024年3月

    科学研究費助成事業  若手研究

    大島 優

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:4680000円 ( 直接経費:3600000円 、 間接経費:1080000円 )

    近年の理論解析により,代表的なII-VI族化合物半導体の1つである硫化亜鉛(ZnS)において,転位がキャリアをトラップすることにより原子・電子構造を変化させうることが明らかとなってきた.一方で,キャリアトラップ時の転位コアにおける原子・電子構造変化について実験的な観測は未だ行われていない.そこで本研究では,転位を導入した無機半導体結晶について光吸収特性評価を実施し,光励起による転位の電子構造変化について観測を試みる.

  2. 無機半導体結晶の変形挙動における光環境効果と転位物性の解明

    研究課題/研究課題番号:21K20484  2021年8月 - 2023年3月

    科学研究費助成事業  研究活動スタート支援

    大島 優

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:3120000円 ( 直接経費:2400000円 、 間接経費:720000円 )

    無機半導体中の転位は,局所的な組成の偏りに起因して,しばしば正もしくは負に帯電することが知られている.その結果,転位は自由電子やホールと相互作用を生じうる.しかしながら,そうした相互作用が結晶の変形特性(転位の運動性)や転位機能に及ぼす影響については不明な点が多い.そこで本研究では,無機半導体結晶について光環境制御下における機械的変形試験を実施し,変形特性における光環境効果を調査する.また,転位を導入した結晶について物性測定を行い,転位機能の評価を実施する.
    無機半導体中の転位は,その中心部において結合欠損が生じており,局所的な組成の偏りを有するため,しばしば正もしくは負に帯電することが知られている.その結果として,転位は電荷を有するキャリアと相互作用を生じうる.しかしながら,そうした転位-キャリア間で生じる相互作用が無機半導体の変形特性(転位の運動性)に及ぼす影響については不明な点が多い.そこで当該年度には,酸化チタン(TiO2)結晶について光環境制御下における硬さ試験を実施し,光励起によるキャリア発生が結晶の硬さに及ぼす影響について評価を実施した.
    まず,光照射による硬さの変化を正確に評価するための環境整備を行った.光照射下において硬さが上昇することが既に報告されている硫化亜鉛(ZnS)結晶を用いて,光照射による硬さ変化を抽出できることを確認した.
    続いて,光が存在しない暗所下および波長の異なる様々な光照射下について,酸化チタン(TiO2)結晶表面の硬さ測定を実施した.硬さ試験後に表面形状の観察を行ったところ,いずれの光環境条件下においても,圧痕周辺にすべり線および微小クラックの形成がみとめられた.圧子の押込みにより,転位の運動によるすべり運動,および,クラックの発生・伝播が生じていると考えられる.また,暗所下および光照射下それぞれについて圧痕の形状から硬さを算出したところ,光照射により硬さが変化する傾向にあることがわかった.このようにして,酸化チタン結晶において光環境がその変形特性に影響を及ぼす可能性があることが示唆された.
    光環境制御下における硬さ測定により,光環境が酸化チタン(TiO2)の変形特性に影響を及ぼしうることが確認された.この結果に基づいて,バルクを用いた機械的変形試験について検討が可能であり,おおむね順調に進展していると考えられる.
    これまでは光環境制御下における硬さ測定を実施してきた.そこで今後は,光環境制御下における機械的変形試験へと実験系を拡張し評価を行う.さらに,対象材料を酸化チタン(TiO2)以外の無機半導体結晶にも広げる予定である.