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Semiconductor electron beam source that brings fine-area dynamics observation technology to damage sensitive samples

Research Project

Project/Area Number 19H00666
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

Nishitani Tomohiro  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 客員准教授 (40391320)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 目黒 多加志  東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 教授 (20182149)
洗平 昌晃  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20537427)
成田 哲博  名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (30360613)
本田 善央  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60362274)
石川 史太郎  愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 准教授 (60456994)
田渕 雅夫  名古屋大学, シンクロトロン光研究センター, 教授 (90222124)
市川 修平  大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 助教 (50803673)
保田 英洋  大阪大学, 工学研究科, 教授 (60210259)
七井 靖  青山学院大学, 理工学部, 助教 (80755166)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥45,370,000 (Direct Cost: ¥34,900,000、Indirect Cost: ¥10,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Fiscal Year 2019: ¥22,360,000 (Direct Cost: ¥17,200,000、Indirect Cost: ¥5,160,000)
Keywordsフォトカソード / 電子ビーム / 半導体 / 負電子親和力表面 / パルス電子ビーム / 窒化ガリウム半導体 / AlGaAs半導体 / 半導体フォトカソード / 電子顕微鏡 / 損傷敏感試料 / 動態観測 / ガリウムヒ素半導体
Outline of Research at the Start

次世代の電子顕微鏡技術には、電子線損傷に敏感な試料だけでなく、液中など実環境下でその動態や反応へ観測機能を拡張させることが求められている。このような要求に応えるには、従来を遥かに超える電流密度と単色性だけでなく、既存技術にはない高密度電子パルス特性が電子源に必要不可欠である。本課題では、既存とは異なる電子放出原理の光電効果を利用し半導体から電子ビームを取り出す半導体フォトカソードに着目し、半導体の材料・構造・表面の追求と半導体フォトカソードに適した電子銃装置の研究開発により、電子顕微鏡の観測機能の拡張に適した低単色・高密度のパルス電子ビーム生成の実現を目指す。

Outline of Final Research Achievements

For the first technological innovation in electron microscopy electron beam sources in 50 years, this study has worked to realize an electron beam with never-before-seen high performance and versatility using a semiconductor photocathode.
By optimizing the materials and structures of semiconductors such as gallium nitride and gallium arsenide in this research, we succeeded in achieving high performance with electron momentum dispersion one order of magnitude lower than that of conventional technologies, a large current at the milliampere level, and generating pulsed electron beams with nanosecond width which is difficult with conventional technologies.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で達成した電子の運動量のばらつきが極少の電子ビームと従来困難であった極めて短い時間幅のパルス電子ビームの実現は、電子顕微鏡の核心技術である電子源の材料を金属から半導体へと刷新することで、実環境下のまま分子・原子レベルで試料を観測する新奇技術を創出する可能性を持つ。本研究でも示唆した水溶液中で動き回る生きた生体分子や電池材料が充放電する様子などを分子レベルで観測するような潜在的応用例などからも、本技術の社会実装により創薬だけでなくエネルギーなど幅広い分野で技術革新の源になると期待される。

Report

(5 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (34 results)

All 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 2 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 13 results)

  • [Journal Article] Multiple electron beam generation from InGaN photocathode2021

    • Author(s)
      Sato Daiki、Shikano Haruka、Koizumi Atsushi、Nishitani Tomohiro、Honda Yoshio、Amano Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science & Technology B

      Volume: 39 Issue: 6 Pages: 062209-062209

    • DOI

      10.1116/6.0001272

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] AlGaAs/GaAs superlattice photocathode grown by molecular beam epitaxy: correspondence between room temperature photoluminescence and quantum efficiency2021

    • Author(s)
      Morita Iori、Ishikawa Fumitaro、Honda Anna、Sato Daiki、Koizumi Atsushi、Nishitani Tomohiro、Tabuchi Masao
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Issue: SB Pages: SBBK02-SBBK02

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abd6e0

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  • [Journal Article] Development of Pulsed TEM Equipped with Nitride Semiconductor Photocathode for High-Speed Observation and Material Nanofabrication2021

    • Author(s)
      Hidehiro Yasuda, Tomohiro Nishitani, Shuhei Ichikawa, Shuhei Hatanaka, Yoshio Honda, Hiroshi Amano
    • Journal Title

      Quantum Beam Science

      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 5-5

    • DOI

      10.3390/qubs5010005

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  • [Journal Article] ANALYTICAL STUDY ON TPD MEASUREMENTS DURING NEA ACTIVATION PROCESS2021

    • Author(s)
      Masaru Jono, Yuhi Sada, Takashi Meguro
    • Journal Title

      Proceedings of the 39th Symposium on Materials Science and Engineering

      Volume: 39 Pages: 14-18

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    • Open Access
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      Sada Y.、Meguro T.
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 513 Pages: 145699-145699

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2020.145699

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    • Author(s)
      Inagaki Yuta、Meguro Takashi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59 Issue: 4 Pages: 045504-045504

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab7ef3

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  • [Journal Article] Recovery of quantum efficiency on Cs/O-activated GaN and GaAs photocathodes by thermal annealing in vacuum2020

    • Author(s)
      Sato Daiki、Nishitani Tomohiro、Honda Yoshio、Amano Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science & Technology B

      Volume: 38 Issue: 1 Pages: 012603-012603

    • DOI

      10.1116/1.5120417

    • NAID

      120006957719

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      Sato Daiki、Honda Anna、Koizumi Atsushi、Nishitani Tomohiro、Honda Yoshio、Amano Hiroshi
    • Journal Title

      Microelectronic Engineering

      Volume: 223 Pages: 111229-111229

    • DOI

      10.1016/j.mee.2020.111229

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      T. Nishitani,A. Narita, H. Iijima, A. Koizumi, D. Sato, S. Noda, Y. Arakawa, H. Shikano, Y. Honda and H. Amano
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      西谷智博
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      Reiji Suzuki, Iori Morita, Fumitaro Ishikawa, Anna Honda, Daiki Sato, Atsushi Koizumi, Tomihiro Nishitani, Masao Tabuchi
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Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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