論文の公開元へ

書き出し

Refer/BibIX

RIS

BibTeX

TSV

Topological analyses of structure of glassy materials toward extraction of order hidden in disordered structure

Onodera, Yohei 京都大学 DOI:10.2109/jcersj2.22033

2022.08.01

概要

Understanding the structure of disordered materials is still one of the most challenging topics in materials science because of insufficient structural information on experimental data. In this article, recent studies in solving the structure of glassy oxide materials via a combination of quantum beam experiments and computer simulations with the aid of advanced topological analyses are reviewed. To investigate glass structure on the intermediate length scale, three-dimensional atomistic structure models, which reproduce the multiple experimental dataset, were constructed. Furthermore, various topological analyses found that the network topology is an important structural feature for understanding properties of oxide glasses. The comprehensive approach including experimental, computational, and analytical method will be a promising way to probe the hidden order in disordered structure and provide crucial knowledge to design new glass materials with novel characteristics.

論文の公開元へ

この論文で使われている画像

参考文献

1) H. E. Fischer, H. E. Barnes and P. S. Salmon, Rep. Prog. Phys., 69, 233299 (2006).

2) S. Kohara and P. S. Salmon, Adv. Phys.: X, 1, 640660 (2016).

3) D. L. Price, S. C. Moss, R. Reijers, M. L. Saboungi and S. Susman, J. Phys. C Solid State Phys., 21, L1069 L1072 (1988).

4) D. L. Price, Curr. Opin. Solid State Mat. Sci., 1, 572 577 (1996).

5) S. Kohara, J. Ceram. Soc. Jpn., 125, 799807 (2017).

6) Y. Onodera, S. Kohara, S. Tahara, A. Masuno, H. Inoue, M. Shiga, A. Hirata, K. Tsuchiya, Y. Hiraoka, I. Obayashi, K. Ohara, A. Mizuno and O. Sakata, J. Ceram. Soc. Jpn., 127, 853863 (2019).

7) R. L. McGreevy and L. Pusztai, Mol. Simulat., 1, 359 367 (1988).

8) Y. Onodera, S. Kohara, H. Masai, A. Koreeda, S. Okumura and T. Ohkubo, Nat. Commun., 8, 15449 (2017).

9) Y. Onodera, Y. Takimoto, H. Hijiya, T. Taniguchi, S. Urata, S. Inaba, S. Fujita, I. Obayashi, Y. Hiraoka and S. Kohara, NPG Asia Mater., 11, 75 (2019).

10) E. Lorch, J. Phys. C Solid State, 2, 229237 (1969).

11) A. C. Hannon, W. S. Howells and A. K. Soper, Inst. Phys. Conf. Ser., 107, 193211 (1990).

12) D. A. Keen, J. Appl. Crystallogr., 34, 172177 (2001).

13) S. Kohara, K. Ohara, H. Tajiri, C. Song, O. Sakata, T. Usuki, Y. Benino, A. Mizuno, A. Masuno, J. T. Okada, T. Ishikawa and S. Hosokawa, Z. Phys. Chem., 230, 339368 (2016).

14) W. H. Zachariasen, J. Am. Chem. Soc., 54, 38413851 (1932).

15) S. W. Martin, Eur. J. Sol. State Inor., 28, 163205 (1991).

16) U. Hoppe, J. Non-Cryst. Solids, 195, 138147 (1996).

17) R. K. Brow, J. Non-Cryst. Solids, 263–264, 128 (2000).

18) B. C. Bunker, G. W. Arnold and J. A. Wilder, J. Non- Cryst. Solids, 64, 291316 (1984).

19) T. Kokubo and J. Takadama, Biomaterials, 27, 2907 2915 (2006).

20) P. I. Paulose, G. Jose, V. Thomas, N. V. Unnikrishnan and M. K. R. Warrier, J. Phys. Chem. Solids, 64, 841 846 (2003).

21) J. H. Campbell and T. I. Suratwala, J. Non-Cryst. Solids, 263–264, 318341 (2000).

22) Y. C. Yan, A. J. Faber, H. De Waal, P. G. Kik and A. Polman, Appl. Phys. Lett., 71, 29222924 (1997).

23) S. Inaba, H. Hosono and S. Ito, Nat. Mater., 14, 312 317 (2015).

24) R. K. Brow and D. R. Tallant, J. Non-Cryst. Solids, 222, 396406 (1997).

25) R. Morena, J. Non-Cryst. Solids, 263–264, 382387 (2000).

26) B. C. Joshi, J. Non-Cryst. Solids, 180, 217220 (1995).

27) H. Masai, Y. Takahashi, T. Fujiwara, S. Matsumoto and T. Yoko, Appl. Phys. Express, 3, 082102 (2010).

28) K. Suzuya, K. Itoh, A. Kajinami and C.-K. Loong, J. Non-Cryst. Solids, 345–346, 8087 (2004).

29) U. Hoppe, G. Walter, G. Carl, J. Neuefeind and A. C. Hannon, J. Non-Cryst. Solids, 351, 10201031 (2005).

30) U. Hoppe, Y. Dimitriev and P. Jóvári, Z. Naturforsch. A, 60, 517526 (2005).

31) S. Kohara, K. Suzuya, K. Takeuchi, C.-K. Loong, M. Grimsditch, J. K. R. Weber, J. A. Tangeman and T. S. Key, Science, 303, 16491652 (2004).

32) S. Kohara, J. Akola, H. Morita, K. Suzuya, J. K. R. Weber, M. C. Wilding and C. J. Benmore, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 1478014785 (2011).

33) J. Akola, S. Kohara, K. Ohara, A. Fujiwara, Y. Watanabe, A. Masuno, T. Usuki, T. Kubo, A. Nakahira, K. Nitta, T. Uruga, J. K. R. Weber and C. J. Benmore, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 10129 10134 (2013).

34) S. Kohara, J. Akola, L. Patrikeev, M. Ropo, K. Ohara, M. Itou, A. Fujiwara, J. Yahiro, J. T. Okada, T. Ishikawa, A. Mizuno, A. Masuno, Y. Watanabe and T. Usuki, Nat. Commun., 5, 5892 (2014).

35) T. Aoyagi, S. Kohara, T. Naito, Y. Onodera, M. Kodama, T. Onodera, D. Takamatsu, S. Tahara, O. Sakata, T. Miyake, K. Suzuya, K. Ohara, T. Usuki, Y. Hayashi and H. Takizawa, Sci. Rep., 10, 7178 (2020).

36) M. Tomozawa, M. Takata, J. Acocella, E. B. Watson and T. Takamori, J. Non-Cryst. Solids, 56, 343348 (1983).

37) J. E. Shelby, J. Am. Ceram. Soc., 66, 225227 (1983).

38) P. S. Salmon, R. A. Martin, P. E. Mason and G. J. Cuello, Nature, 435, 7578 (2005).

39) Q. Mei, C. J. Benmore, S. Sen, R. Sharma and J. Yargar, Phys. Rev. B, 78, 144204 (2008).

40) A. C. Hannon, in “Basic Concepts of Network Glass Structure, Encyclopedia of Glass Science, Technology, History, and Culture”, Ed. by P. Richet, R. Conradt, A. Takada and J. Dyon, Wiley Online Library, New York (2021).

41) K. Laaziri, S. Kycia, S. Roorda, M. Chicoine, J. L. Robertson, J. Wang and S. C. Moss, Phys. Rev. Lett., 82, 34603463 (1999).

42) J. D. Bernal, Nature, 183, 141147 (1959).

43) J. F. Sadoc, J. Dixmier and A. Guinier, J. Non-Cryst. Solids, 12, 4660 (1973).

44) G. S. Cargill, III and S. Kirkpatrick, AIP Conf. Proc., 31, 339352 (1976).

45) I. Heimbach, F. Rhiem, F. Beule, D. Knodt, J. Heinen and R. O. Jones, J. Comput. Chem., 38, 389394 (2017).

46) M. Murakami, S. Kohara, N. Kitamura, J. Akola, H. Inoue, A. Hirata, Y. Hiraoka, Y. Onodera, I. Obayashi, J. Kalikka, N. Hirao, T. Musso, A. S. Foster, Y. Idemoto, O. Sakata and Y. Ohishi, Phys. Rev. B, 99, 045153 (2019).

47) A. Zeidler, K. Wezka, R. F. Rowlands, D. A. J. Whittaker, P. S. Salmon, A. Polidori, J. W. E. Drewitt, S. Klotz, H. E. Fischer, M. C. Wilding, C. L. Bull, M. G. Tucker and M. Wilson, Phys. Rev. Lett., 113, 135501 (2014).

48) S. Kohara, M. Shiga, Y. Onodera, H. Masai, A. Hirata, M. Murakami, T. Morishita, K. Kimura and K. Hayashi, Sci. Rep., 11, 22180 (2021).

49) Y. Hiraoka, T. Nakamura, A. Hirata, E. G. Esscolar, K. Matsue and Y. Nishiura, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113, 70357040 (2016).

50) S. L. Roux and P. Jund, Comput. Mater. Sci., 49, 7083 (2010).

51) S. L. Roux and P. Jund, Comput. Mater. Sci., 50, 1217 (2011).

52) C. S. Marians and L. W. Hobbs, J. Non-Cryst. Solids, 124, 242253 (1990).

53) https://homcloud.dev/.

54) J. J. Pluth, J. V. Smith and J. Faber, Jr., J. Appl. Phys., 57, 10451049 (1985).

55) K. Kihara, Eur. J. Mineral., 2, 6377 (1990).

56) L. Levien and C. T. Prewitt, Am. Mineral., 66, 324333 (1981).

57) P. K. Gupta and A. R. Cooper, J. Non-Cryst. Solids, 123, 1421 (1990).

58) C. Koyama, S. Tahara, S. Kohara, Y. Onodera, D. R. Småbråten, S. M. Selbach, J. Akola, T. Ishikawa, A. Masuno, A. Mizuno, J. T. Okada, Y. Watanabe, Y. Nakata, K. Ohara, H. Tamaru, H. Oda, I. Obayashi, Y. Hiraoka and O. Sakata, NPG Asia Mater., 12, 43 (2020).

59) J. O. Isard, J. Non-Cryst. Solids, 1, 235261 (1969).

60) H. Maekawa, T. Maekawa, K. Kawamura and T. Yokokawa, J. Non-Cryst. Solids, 127, 5364 (1991).

61) A. Pedone, G. Malavasi, M. C. Menziani, A. N. Cormack and U. A. Segre, J. Phys. Chem. B, 110, 1178011795 (2006).

62) S. Kohara, H. Ohno, M. Takata, T. Usuki, H. Morita, K. Suzuya, J. Akola and L. Pusztai, Phys. Rev. B, 82, 134209 (2010).

63) J. Habasaki, I. Okada and Y. Hiwatari, J. Non-Cryst. Solids, 183, 1221 (1995).

64) J. Habasaki, I. Okada and Y. Hiwatari, J. Non-Cryst. Solids, 208, 181190 (1996).

65) G. N. Greaves and S. Sen, Adv. Phys., 56, 1166 (2007).

66) Y. Onodera, S. Kohara, P. S. Salmon, A. Hirata, N. Nishiyama, S. Kitani, A. Zeidler, M. Shiga, A. Masuno, H. Inoue, S. Tahara, A. Polidori, H. E. Fischer, T. Mori, S. Kojima, H. Kawaji, A. I. Kolesnikov, M. B. Stone, M. G. Tucker, M. T. McDonnell, A. C. Hannon, Y. Hiraoka, I. Obayashi, T. Nakamura, J. Akola, Y. Fujii, K. Ohara, Y. Taniguchi and O. Sakata, NPG Asia Mater., 12, 85 (2020).

67) Y. Shang, Z. Liu, J. Dong, M. Yao, Z. Yang, Q. Li, C. Zhai, F. Shen, X. Hou, L. Wang, N. Zhang, W. Zhang, R. Fu, J. Ji, X. Zhang, H. Lin, Y. Fei, B. Sundqvist, W. Wang and B. Liu, Nature, 599, 599604 (2021).

68) H. Hashimoto, Y. Onodera, S. Tahara, S. Kohara, K. Yazawa, H. Segawa, M. Murakami and K. Ohara, Sci. Rep., 12, 516 (2022).1) H. E. Fischer, H. E. Barnes and P. S. Salmon, Rep. Prog. Phys., 69, 233299 (2006).