Research Abstract


Site occupancy of interstitial deuterium atoms in face-centred cubic iron

2014年9月26日 Nature Communications 5 : 5063 doi: 10.1038/ncomms6063

水素拡散などの微視的な特性から相安定性などの巨視的な特性に及ぶ金属–水素系の多様な特性を理解する上で、水素組成と水素原子の格子間占有率は基本的な情報である。本論文では、高温高圧力下において、面心立方構造を持つ鉄に重水素が溶解して固溶体FeDxが形成される過程をその場中性子回折を用いて観察している。988 K–6.3 GPaで重水素化した鉄では、重水素原子は八面体格子間サイトを占有率0.532(9)で、四面体格子間サイトを占有率0.056(5)で占有し、重水素組成xは0.64(1)になる。重水素化反応は鉄の体積膨張を伴いながら進行するが、体積膨張は重水素組成にほぼ比例して、重水素1原子あたり2.21 Å3である。重水素原子のわずかな四面体格子間サイト占有は、面心立方金属格子の<111>方向に沿っての八面体格子間サイトからの熱励起移動によって引き起こされる。

町田 晃彦1, 齋藤 寛之1, 杉本 秀彦2, 服部 高典3,4, 佐野 亜沙美3,4, 遠藤 成輝1, 片山 芳則1, 飯塚 理子5, 佐藤 豊人6, 松尾 元彰6, 折茂 慎一6,7 & 青木 勝敏6

  1. 日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究センター(播磨地区)
  2. 中央大学 物理学科
  3. 日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究センター(東海地区)
  4. 日本原子力研究開発機構 J-PARCセンター
  5. 愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター
  6. 東北大学 金属材料研究所
  7. 東北大学 原子分子材料科学高等研究機構
Hydrogen composition and occupation state provide basic information for understanding various properties of the metal–hydrogen system, ranging from microscopic properties such as hydrogen diffusion to macroscopic properties such as phase stability. Here the deuterization process of face-centred cubic Fe to form solid-solution face-centred cubic FeDx is investigated using in situ neutron diffraction at high temperature and pressure. In a completely deuterized specimen at 988 K and 6.3 GPa, deuterium atoms occupy octahedral and tetrahedral interstitial sites with an occupancy of 0.532(9) and 0.056(5), respectively, giving a deuterium composition x of 0.64(1). During deuterization, the metal lattice expands approximately linearly with deuterium composition at a rate of 2.21 Å3 per deuterium atom. The minor occupation of the tetrahedral site is thermally driven by the intersite movement of deuterium atoms along the ‹111› direction in the face-centred cubic metal lattice.