• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Observation of irreversible structural dynamics with relativistic femtosecond electron pulses

Research Project

Project/Area Number 21H04654
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

楊 金峰  大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (90362631)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 成瀬 延康  滋賀医科大学, 医学部, 准教授 (30350408)
中村 芳明  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (60345105)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
Keywords不可逆の構造変化 / 時間分解電子回折 / フェムト秒電子線パルス / 光誘起構造相転移 / 薄膜 / 構造相転移
Outline of Research at the Start

光が物質の状態を瞬間的に変える光誘起構造変化(特に不可逆な構造変化過程)を利用すれば、新物質・新機能の開拓、超高速かつ低エネルギーの光デバイスの実現、が期待されることから、世界中が注目している。本研究では、可逆と不可逆な構造変化過程を時間分解観察可能な100フェムト秒以下の相対論的シングル電子線パルスを用いて、Si基板や各種薄膜上に人工的に作製したナノ領域・ナノマテリアルにおける光誘起結晶構造変化過程を観測して構造変化機構を解明し、構造変化とそれが決定する物性変化を明らかにする。本研究によって、新機能・新物性を有する新規材料の創出に道を拓く。

Outline of Annual Research Achievements

1)マルチスケールの計測とユースケースの開拓
・相対論的超高速電子回折装置(UED)は金属や酸化物等の無機材料における光励起構造相転移ダイナミクスの観察によく利用されているが、本研究では、ユースケース開拓のために、エネルギーが2MeVのフェムト秒電子線パルスを用いて光異性化を示す最も代表的な分子であるアゾベンゼン液晶有機分子の電子回折図形の測定を試みた。その結果、アゾベンゼン液晶分子に二つのベンゼン環から構成されるトランス体構造の電子回折パターンの観察に成功した。本測定結果から、今後、相対論的フェムト秒電子線回折装置を用いて光照射によりフェムト秒時間領域で変化するトランスーシス体の超高速構造ダイナミクスの解明が期待できる。
・電場印加が可能な試料ホルダーを設計した。試料にナノ秒パルス電場を印加し、電場励起による引き起こされる構造変化過程を、時間遅延した電子線パルスを用いて電子回折図形の時間経過観察による測定するナノ秒・マイクロ秒時間領域での時間分解電子回折法を確立した。来年度に設計した電場印加可能な試料ホルダーを製作し、マルチ時間スケールでの相転移過程の観察に期待できる。
2)熱、光又は電場励起による構造相転移過程の測定
・バッファー層としてTiO2薄膜を用いることにより、Si基板上にVO2薄膜をエピタキシャル成長(多結晶)させることに成功したため、これをUED計測用試料とした。具体的には、Si基板側をドライエッチングすることにより、VO2薄膜を残したまま、プランビュー観察可能な薄膜試料を作成できた。2023年度は、この試料を用いてUED測定を行った。現在、光励起と熱励起によるVO2の歪みのダイナミクスに着目しながら、対応するTEM観察を併用しながら、解析を行っている。
・また、近年注目されている高い熱電性能を持つGeTe薄膜にける非可逆相転移ダイナミクスの測定を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は計画したVO2薄膜の構造相転移過程の測定以外に、エピタキシャルGeTe薄膜/Si の作製条件を見出すことができた。GeTe薄膜は近年注目されている高い熱電性能を持つ材料であり、GeTe薄膜のドメイン制御により、界面キャリア散乱を制御できる、これにより、バルクGeTeよりも高い熱電性能を実現した。さらに、それらの熱電性能が最大となるのが低温相(菱面体構造)と高温相(立方晶)の相転移点の中間の温度にあることを見出した。薄膜のGeTe結晶の非可逆相転移ダイナミクスの理解がこの熱電性能の理解に極めて重要であり、今後、これを時間分解電子回折の測定により、結晶構造とドメインの観点から理解することで、高い熱電性能を持つ物質材料の創製が期待できる。

Strategy for Future Research Activity

熱、光又は電場励起による構造相転移過程を測定し、構造相転移ダイナミクスの本質的な解明を試みる。そのために、
1)加熱試料ホルダーを活用し、シリコンベースのGeTe薄膜にエネルギーが2MeVの相対論的フェムト秒電子線パルスを照射して、熱励起による構造相転移ダイナミクスを試みる。
2)昨年度に設計した電場印加が可能な試料ホルダーを実作する。試料にナノ秒パルス電場を印加し、電場励起による構造相転移を引き起す。その相転移過程を、相対論的フェムト秒電子線パルスを用いて、ナノ秒・マイクロ秒時間領域での電場励起の構造相転移過程の測定法を確立する。
3)エピタキシャルGeTe薄膜/Si等の材料における熱、電場又は光励起による構造相転移ダイナミクスの相違点を解析し、構造相転移ダイナミクスの本質的な解明を試みる。本研究により、今後、高い熱電性能を持つ物質材料の創製に必要な知見を見つけ出す。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (45 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 10 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] 華中科技大学(中国)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Huazhong Univ. of Sci. & Technol.(中国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Boosting Thermoelectric Performance in Epitaxial GeTe Film/Si by Domain Engineering and Point Defect Control2023

    • Author(s)
      Ishibe Takafumi、Komatsubara Yuki、Ishikawa Kodai、Takigawa Sho、Naruse Nobuyasu、Mera Yutaka、Yamashita Yuichiro、Ohishi Yuji、Nakamura Yoshiaki
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 15 Issue: 21 Pages: 26104-26110

    • DOI

      10.1021/acsami.3c01404

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Towards precise diagnosis time profile of ultrafast electron bunch trains using orthogonal terahertz streak camera2023

    • Author(s)
      Xu Yang、Song Yifang、Tsai Cheng-Ying、Wang Jian、Liu Zhengzheng、Qi Hong、Fan Kuanjun、Yang Jinfeng、Meshkov O. I.
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 31 Issue: 12 Pages: 19777-19777

    • DOI

      10.1364/oe.488132

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] MeV electron bunch compression and timing jitter suppression using a THz-driven resonator2023

    • Author(s)
      Song Yifang、Tsai Cheng-Ying、Fan Kuanjun、Yang Jinfeng、Qi Hong
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1047 Pages: 167774-167774

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.167774

    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Design and performance study of a dielectric-filled cavity beam current monitor for HUST-PTF2023

    • Author(s)
      Li Ji-Qing、Fan Kuan-Jun、Liu Zheng-Zheng、Wang Jian、Chen Qu-Shan、Yang Jin-Feng
    • Journal Title

      Nuclear Science and Techniques

      Volume: 34 Issue: 8 Pages: 129-129

    • DOI

      10.1007/s41365-023-01278-0

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quantitative spatial mapping of distorted state phases during the metal-insulator phase transition for nanoscale VO2 engineering2022

    • Author(s)
      Yuichi Ashida, Takafumi Ishibe, Jinfeng Yang, Nobuyasu Naruse, Yoshiaki Nakamura
    • Journal Title

      Science and Technology of Advanced Materials

      Volume: 24 Issue: 1 Pages: 2150525-2150525

    • DOI

      10.1080/14686996.2022.2150525

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Direct ionization-driven observational approaches for radical cation formation in solution for pulse radiolysis2022

    • Author(s)
      Gohdo Masao、Tagawa Seiichi、Kan Koichi、Yang Jinfeng、Yoshida Yoichi
    • Journal Title

      Radiation Physics and Chemistry

      Volume: 196 Pages: 110105-110105

    • DOI

      10.1016/j.radphyschem.2022.110105

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of a 1.4-cell RF photocathode gun for single-shot MeV ultrafast electron diffraction devices with femtosecond resolution2022

    • Author(s)
      Song Yifang、Yang Jinfeng、Wang Jian、Urakawa Junji、Takatomi Toshikazu、Fan Kuanjun
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A

      Volume: 1031 Pages: 166602-166602

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.166602

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Focused proton beam generating pseudo Bragg peak for FLASH therapy2022

    • Author(s)
      Zhiyuan Mei, Yi Yua, Jian Wang, Danlei Fan, Kehan Li, Jinfeng Yang, Kuanjun Fan, Mingwu Fan
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A

      Volume: 1032 Pages: 166618-166618

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.166618

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Relativistic Femtosecond-Pulsed Electron Microscopy2021

    • Author(s)
      楊 金峰, 保田 英洋, 吉田 陽一
    • Journal Title

      Journal of the Particle Accelerator Society of Japan

      Volume: 18 Issue: 2 Pages: 81-88

    • DOI

      10.50868/pasj.18.2_81

    • NAID

      130008071587

    • ISSN
      1349-3833, 2436-1488
    • Year and Date
      2021-07-31
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Time-domain measurement of coherent transition radiation using a photoconductive antenna with micro-structured electrodes2021

    • Author(s)
      K Kan, M Gohdo, J Yang, I Nozawa, Y Yoshida, H Kitahara, K Takano, R Kuroda, H Toyokawa
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11 Issue: 12 Pages: 125319-125319

    • DOI

      10.1063/5.0067586

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Optimization of a B4C/graphite composite energy degrader and its shielding for a proton therapy facility2021

    • Author(s)
      Zhiyuan Mei, Kuanjun Fan, Zhikai Liang, Jinfeng Yang, Mingwu Fan
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A

      Volume: 95 Pages: 165127-165127

    • DOI

      10.1016/j.nima.2021.165127

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Innovative imaging techniques with relativistic femtosecond electron pulses2023

    • Author(s)
      Jinfeng Yang
    • Organizer
      3rd International Forum on Microscopy
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ultrafast electron microscopy with relativistic femtosecond electron2023

    • Author(s)
      Jinfeng Yang, Masao Gohdo, Yoichi Yoshida
    • Organizer
      Quantum beam application for sciences and industries (Q-Basis 2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Terahertz Radiation from Metallic Slit Arrays with Relativistic Femtosecond Electron pulses2023

    • Author(s)
      Hong Qi, Kai Morishita, Zihao Yang, Jiaming Zhang, Youwei Wang, Kosaku Kato, Makoto Nakajima, Kuanjun Fan, Jinfeng Yang
    • Organizer
      The 27th SANKEN International Symposium
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High thermoelectric properties in epitaxial GeTe thin film by defect control2023

    • Author(s)
      Takafumi Ishibe, Nobuyasu Naruse, Yutaka Mera, Yuichiro Yamashita, Yuji Ohishi, Yoshiaki Nakamura
    • Organizer
      Annual meeting of the Jaoan society of vacuum and surface science 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超伝導RF電子銃を用いた超高速電子顕微鏡の概念設計2023

    • Author(s)
      楊金峰、井藤隼人 、山田 智宏、梅森健成、阪井寛志
    • Organizer
      第20回日本加速器学会年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] フェムト秒電子線回折による光誘起構造相転移現象の測定2023

    • Author(s)
      楊 金峰,蘆田湧一,成瀬康延,中村芳明,菅 晃一,神戸正雄,吉田陽一
    • Organizer
      日本原子力学会2023年春の大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 超伝導RF電子銃を用いたパルス電子顕微鏡の理論検討2023

    • Author(s)
      楊 金峰,許斐太郎,井藤隼人,山田智宏,梅田健成,阪井寛志
    • Organizer
      日本原子力学会2023年秋の大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Ge空孔量制御したエピタキシャルGeTe薄膜/Siの熱電特性2023

    • Author(s)
      石部 貴史、成瀬 延康、目良 裕、山下 雄一郎、大石 佑治、 中村 芳明
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 自立型IoTセンサ電源応用に向けたエピタキシャルGeTe薄膜/Siの熱電特性2023

    • Author(s)
      上月 聖也、石部 貴史、中村 芳明
    • Organizer
      応用物理学会関西支部2023年度第2回講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] エピタキシャルGeTe薄膜/Siの熱伝導率とフォノン輸送機構2023

    • Author(s)
      石部 貴史、成瀬 延康、目良 裕、山下 雄一郎、大石 佑治、中村 芳明
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Application of Nb3Sn cavity for femtosecond-pulsed electron microscope2022

    • Author(s)
      Jinfeng Yang
    • Organizer
      International Meeting of TESLA Technology Collaboration (TTC2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フォトカソードRF電子銃を用いた超高圧パルス電子顕微鏡の開発2022

    • Author(s)
      楊 金峰, 菅 晃一, 神戸 正雄, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本加速器学会第19回年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザー変調の電子ビーム実験2022

    • Author(s)
      菅 晃一, 神戸 正雄, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本加速器学会第19回年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 相対論的フェムト秒電子線パルスを用いた電子顕微鏡の開発2022

    • Author(s)
      楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第78回学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Relativistic femtosecond-pulsed electron microscopy2022

    • Author(s)
      Jinfeng Yang, Koichi Kan, Masao Gohdo, Yoichi Yoshida
    • Organizer
      The 25th SANKEN International Symposium
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高濃度溶液を用いたラジカルカチオンの反応性の研究2022

    • Author(s)
      神戸 正雄, 田牧 諒也, 田川 精一, 菅 晃一, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本原子力学会 2022年春の年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザー変調された電子ビームの測定2022

    • Author(s)
      菅 晃一, 神戸 正雄, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本原子力学会 2022年春の年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] フェムト秒電子線回折による光誘起構造相転移現象の測定2022

    • Author(s)
      楊 金峰, 蘆田 湧一, 成瀬 康延, 中村 芳明, 菅 晃一, 神戸 正雄, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本原子力学会 2022年春の年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Ultrafast electron diffraction and imaging with relativistic femtosecond electron pulses2021

    • Author(s)
      Jinfeng Yang
    • Organizer
      The 2nd International Forum on Microscopy (IFM 2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nanoscale spatial distribution of strain in VO2 structural phase transition2021

    • Author(s)
      Yuichi Ashida, Takafumi Ishibe, Jinfeng Yang, Nobuyasu Naruse, Yoshiaki Nakamura
    • Organizer
      The 9th International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on Laser Modulator for Electron Beam Density Modulation2021

    • Author(s)
      Koichi Kan, Masao Gohdo, Jinfeng Yang, Yoichi Yoshida
    • Organizer
      12th International Particle Accelerator Conference (IPAC2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] レーザー変調における電子ビームのシミュレーション2021

    • Author(s)
      菅 晃一, 神戸 正雄, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      第58回アイソトープ・放射線研究発表会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 超短パルス電子ビーム発生のためのレーザー変調におけるアンジュレータ2021

    • Author(s)
      菅 晃一, 神戸 正雄, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      第18回 日本加速器学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] RF電子銃を用いた超高圧パルス電子顕微鏡の開発2021

    • Author(s)
      楊 金峰, 菅 晃一, 神戸 正雄, 吉田陽一
    • Organizer
      第18回日本加速器学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 超短パルス電子ビーム発生のためのレーザー変調におけるアンジュレータ磁場計測2021

    • Author(s)
      菅 晃一, 神戸 正雄, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      第64回放射線化学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] パルスラジオリシス法による高濃度溶液中の放射線化学反応の解析2021

    • Author(s)
      神戸 正雄, 田牧 諒哉, 菅 晃一, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      第64回放射線化学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] n-ペンタノール中の溶媒和電子生成過程の検討2021

    • Author(s)
      田牧 諒哉, 神戸 正雄, 菅 晃一, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      第64回放射線化学討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザー変調のためのアンジュレータの磁場評価2021

    • Author(s)
      菅 晃一, 神戸 正雄, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本原子力学会 2021年秋の大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 溶媒の誘電率の時間変化を取り入れたイオン化分布の時間発展の試行的計算2021

    • Author(s)
      神戸 正雄, 菅 晃一, 楊 金峰, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本原子力学会 2021年秋の大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 相対論的フェムト秒電子線パルスを用いた不可逆構造変化現象の測定技術の開発2021

    • Author(s)
      楊 金峰, 菅 晃一, 神戸 正雄, 吉田 陽一
    • Organizer
      日本原子力学会 2021年秋の大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] VO2構造相転移を駆動するナノスケール歪みの可視化2021

    • Author(s)
      蘆田 湧一、石部 貴史、成瀬 延康、楊 金峰、中村 芳明
    • Organizer
      応用物理学会関西支部2021年度第2回講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 時間分解電子顕微鏡・電子線回折

    • URL

      https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/bsn/UEM.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report 2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi