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透過電子顕微鏡による電子軌道の可視化

Research Project

Project/Area Number 23K23224
Project/Area Number (Other) 22H01956 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

治田 充貴  京都大学, 化学研究所, 准教授 (00711574)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
Keywords電子軌道 / EELS / STEM / 内殻電子励起スペクトル / 電子状態
Outline of Research at the Start

原子が高精度で観察可能な現在の透過電子顕微鏡において、次の新しいステップとして電子軌道の可視化が期待されている。そこで期待されているのが、電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法(EELS)に代表される分光法との組み合わせである。本研究では、原子分解能での非常に高精度な分光計測により得られる2次元マップ像と電子軌道との関係性を理論的かつ実験的に研究することで、像に軌道の何が反映されるのかを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

電子エネルギー損失分光法(EELS)の中でも内殻電子励起スペクトルの微細構造(ELNES)は終状態の電子状態に関する情報を反映する。この分光法と走査型透過電子顕微鏡(STEM)を組み合わせた手法を用いることで、これまで電子軌道を反映した電子顕微鏡像の実験的な手法と実証について研究を行ってきたが、その正確な解釈については他の理論グループの研究結果においても不明な点が多かった。そこでEELSスペクトルの微細構造マップが物理的に何を反映しているのかについて、理論的な研究を過去に発表されたSTEM-EELSマップの理論モデルを発展させる形で研究を行った。特に本研究では問題を単純化させるため、球対称なs軌道から異方的なp軌道への遷移を反映したK殻励起についての研究を行った。その結果、微細構造マップで観察される原子像コントラストの異方性は、終状態の軌道そのものが見えているわけではなく、終状態の軌道の異方性を反映した双極子モーメントが電子顕微鏡によって直接可視化されいることが分かり、そこから間接的に軌道の異方性が議論でき得ることが明らかとなった。またさらに、電子線の入射方向(もしくは結晶の投影方向)が任意に変化した場合の解釈について、理論を発展させるべく研究を行ったが、未だ結論には至っていない。一方で、2p軌道から3d,4sへの遷移に対応するL殻励起の場合についても理論的解釈の関する研究を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまで研究者の実験グループでは実験手法は凡そ確立しつつあったものの、理論的な解釈が不十分であったが、今年度の研究により実験像の定性的な解釈を理論的に説明できるモデルに関する研究が進んだことで、実際に得られる像が物理的に何を反映しているのかについて明らかにすることができたことは大きいため。

Strategy for Future Research Activity

本研究では実験的実証と理論的な解釈の両方を進めることで、どういう系であれば電子軌道に関する情報を高い空間分解能で得ることが可能で、また像をどのように解釈していくべきなのかに関する指針が得られると考えている。そこで、K殻励起とL殻励起について、より正確な理論的解釈を深め、特に方位に寄らずにどのように解釈されるべきなのかについての理論的モデルを確立させ、それを実証するための実験を研究計画に従って行っていく。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2023 2022

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Extraction of Anisotropic Thermal Vibration Factors for Oxygen from the Ti <i>L</i><sub>2,3</sub>-Edge in SrTiO<sub>3</sub>2023

    • Author(s)
      Lin I-Ching、Haruta Mitsutaka、Nemoto Takashi、Goto Masato、Shimakawa Yuichi、Kurata Hiroki
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 127 Issue: 36 Pages: 17802-17808

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c02035

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Stabilization of ferroelectric HZO epitaxial films via monolayer reconstruction driven by valence-dependent interfacial redox reaction and intralayer electron transfer2023

    • Author(s)
      Shen Yufan、Haruta Mitsutaka、Lin I-Ching、Xie Lingling、Kan Daisuke、Shimakawa Yuichi
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 7 Issue: 11 Pages: 1144051-8

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.7.114405

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of the internal pressure of helium bubbles on the morphology and mobility of beryllium2023

    • Author(s)
      Sugimoto Yutaka、Hara Kazutomo、Haruta Mitsutaka、Kurata Hiroki、Kim Jae-Hwan、Hwang Taehyun、Nakamichi Masaru、Miyamoto Mitsutaka
    • Journal Title

      Fusion Engineering and Design

      Volume: 191 Pages: 113720-113720

    • DOI

      10.1016/j.fusengdes.2023.113720

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of helium irradiation on the hydrogen isotope retention in tungsten by in situ TEM and STEM-EELS analysis2023

    • Author(s)
      Miyamoto Mitsutaka、Sano Kohei、Sawae Tomoya、Haruta Mitsutaka、Kurata Hiroki
    • Journal Title

      Nuclear Materials and Energy

      Volume: 36 Pages: 101484-101484

    • DOI

      10.1016/j.nme.2023.101484

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Different atomic contrasts in HAADF images and EELS maps of rutile TiO22022

    • Author(s)
      Iwashimizu Chisaki、Haruta Mitsutaka、Nemoto Takashi、Kurata Hiroki
    • Journal Title

      Microscopy

      Volume: n/a Issue: 4 Pages: 353-360

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfac067

    • Related Report
      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Comparison of detection limits of direct-counting CMOS and CCD cameras in EELS experiments2022

    • Author(s)
      Haruta Mitsutaka、Kikkawa Jun、Kimoto Koji、Kurata Hiroki
    • Journal Title

      Ultramicroscopy

      Volume: 240 Pages: 113577-113577

    • DOI

      10.1016/j.ultramic.2022.113577

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ルチル型TiO2中のHAADF像とTi元素マップにおける異なる原子カラムコントラスト2023

    • Author(s)
      岩清水 千咲,治田 充貴,根本 隆,倉田 博基
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第79回 学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Investigation of Isotropic Behaviour of Oxygen Vibration in PbTiO3 by Ti L2,3-edge EELS Spectrum2023

    • Author(s)
      I-Ching Lin, Mitsutaka Haruta, Takashi Nemoto, Hiroki Kurata
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第79回 学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Different image contrasts between atomic resolution EELS map and HAADF in rutile TiO22023

    • Author(s)
      Chisaki Iwashimizu, Mitsutaka Haruta, Takashi Nemoto, Hiroki Kurata
    • Organizer
      20th International Microscopy Congress
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Different image contrasts between atomic resolution HAADF and EELS mapping in rutile TiO22023

    • Author(s)
      Chisaki Iwashimizu, Mitsutaka Haruta, Takashi Nemoto, Hiroki Kurata
    • Organizer
      Microscopy conference 2022
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantitative Understanding of the Thermal Vibration Effect on Ti L 2,3 -edge Spectrum2023

    • Author(s)
      I-Ching Lin, Mitsutaka Haruta, Takashi Nemoto, Hiroki Kurata
    • Organizer
      Microscopy conference 2022
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Detection limits of direct-counting CMOS and CCD cameras in EELS experiments2023

    • Author(s)
      Mitsutaka Haruta, Jun Kikkawa, Koji Kimoto, Takashi Nemoto, Hiroki Kurata
    • Organizer
      Microscopy conference 2022
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] EELS計測におけるCCDと電子直接検出CMOSカメラの検出限界の比較2022

    • Author(s)
      治田 充貴,吉川 純,木本 浩司,倉田 博基
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第78回 学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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