オペランドTOF-ERDA法を用いた軽元素深さ分布の直接観測

• Project Area: Science on Interfacial Ion Dynamics for Solid State Ionics Devices
• Project/Area Number: 22H04617
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 間嶋 拓也 京都大学, 工学研究科, 准教授 (50515038)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: TOF-ERDA / ERDA / イオンビーム分析 / リチウムイオン電池 / 全固体電池 / 薄膜電池 / 水素分析 / 深さ分析 / 薄膜

Outline of Research at the Start

水素（H）やリチウム（Li）など軽元素は，蓄電固体材料において主要な役割を果たす重要な元素であるが，その分析手法は限られており，試料内での濃度分布の定量的かつ系統的な知見は依然として不足している．本研究では，MeVオーダーの高エネルギーイオンビームを用いた飛行時間測定型の弾性反跳粒子検出（TOF-ERDA）法を，薄膜電池試料などに対して適用し，元素ごとに分離されたナノレベルの深さ分布測定を行う．電圧印加しながらその場測定を行い，充放電中のLi分布の変化をオペランド計測する．HやLiなどの軽元素の濃度分布に基づいた物性評価から，界面イオンダイナミクスの解明に貢献する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、全固体リチウムイオン電池を含む蓄電固体材料の電極・固体電解質界面における特異なイオン輸送特性およびイオン蓄積挙動のメカニズムを理解することを目的に、弾性反跳粒子検出（ERDA）法を用いた実験研究を行った。ERDA法はMeVイオンビームを用いた分析手法のひとつであり、水素やリチウムなどの軽元素の濃度分布を直接的に分析できる手法である。本新学術領域研究の第１期の公募研究において、元素弁別された深さ分布をさらに高い分解能で得るため、飛行時間型（TOF-）ERDA測定のための新たな分析システムを構築した。本分析システムを用いた測定条件の最適化や装置の改良を進めつつ、各種の蓄電固体材料に対する測定を実施した。本年度は、本新学術領域研究で共通的に測定が進められている薄膜標準電池（Pt/LCO/LATP/FMO/Pt/Au）のTOF-ERDA測定を進め、最初に測定を行ったCuイオン入射の他に、比較のためSiおよびAgイオン入射による測定を行った。これにより、測定精度や感度が入射イオン種に対してどのように変化するか確認した。さらにその際、異なるイオン種の入射による照射損傷の影響を考慮するため、シミュレーションによってはじき出し損傷量を評価し、それを考慮した解析を進めた。また新たな測定対象として、Cu/LPO電極界面でのLi濃度分布のオペランド測定に成功し、界面におけるLiPONの分解反応について新たな知見を得た。本結果は英文誌で掲載済みである。また、以前から行っている通常のERDA測定による遷移金属酸化物薄膜試料中の水素濃度の測定についても、SrFeOyの結晶軸の配向に対する依存性や、LaSrNiO4に対する測定を進め、英文誌で結果を公表した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Li concentration change around Cu/LiPON interface measured by TOF-ERDA (2024)
  • Author(s): Kurihara Kyoshi、Nakamizo Shuri、Yamamoto Satoshi、Yasuda Keisuke、Majima Takuya、Yajima Takeshi、Iriyama Yasutoshi
  • Journal Title: Journal of Solid State Electrochemistry Volume: - Issue: 12 Pages: 4451-4456
  • DOI: 10.1007/s10008-024-05865-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proton doping-induced chromism in VO2 beyond the conventional metal-insulator transition approach (2024)
  • Author(s): Teruo Kanki, Takuya Majima
  • Journal Title: Journal of Solid State Electrochemistry Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Orientation-dependent electrochemical reduction and proton evolution in the oxygen-deficient perovskite SrFeO_2.5+y (2023)
  • Author(s): Isoda Yosuke、Kan Daisuke、Majima Takuya、Shimakawa Yuichi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 1 Pages: 015506-015506
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acac60
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Orientation-dependent electrochemical response of LaSrNiO4 epitaxial films (2023)
  • Author(s): Xie Lingling、Isoda Yosuke、Majima Takuya、Shen Yufan、Kan Daisuke、Shimakawa Yuichi
  • Journal Title: Journal of Solid State Electrochemistry Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TOF-ERDA Measurement of Li in Thin ALL-Solid-State Lithium Battery (2023)
  • Author(s): S. Nakamizo, C. Hasegawa, K. Yasuda, H. Tsuchida, M. Saito, T. Majima
  • Journal Title: Annual Report of Quantum Science and Engineering Center Volume: 25 Pages: 15-16
• [Journal Article] Development of TOF-ERDA System and Application to ASSLB Measurements (2023)
  • Author(s): C. Hasegawa, K. Yasuda, T. Majima
  • Journal Title: Annual Report of Quantum Science and Engineering Center Volume: 25 Pages: 62-63
• [Journal Article] ERDA for Depth Analysis of Li in Thin All-solid-state Li Batteries (2022)
  • Author(s): Y. Ogura, T. Majima, K. Yasuda, B. Tsuchiya, H. Tsuchida, and M. Saito
  • Journal Title: Annual Report of Quantum Science and Engineering Center Volume: 24 Pages: 9-10
• [Journal Article] Electrochemical Control and Protonation of the Strontium Iron Oxide SrFeOy by Using Proton-conducting Electrolyte (2022)
  • Author(s): Y. Isoda, D. Kan, Y. Ogura, T. Majima, T. Tsuchiya, and Y. Shimakawa
  • Journal Title: Annual Report of Quantum Science and Engineering Center Volume: 24 Pages: 51-51
• [Journal Article] Development and Performance Evaluation of TOF-ERDA System (2022)
  • Author(s): C. Hasegawa, K. Kuritani, K. Tanimoto, K. Yasuda, Y. Ogura, and T. Majima
  • Journal Title: Annual Report of Quantum Science and Engineering Center Volume: 24 Pages: 60-61
• [Presentation] 全固体リチウム電池のTOF ERDA 測定：入射イオン種依存性 (2024)
  • Author(s): 中溝珠里, 栗原匡志, 山本智士, 藤井晴也, 仙田敬, 入山恭寿, 安田啓介, 土田秀次, 間嶋拓也
  • Organizer: 第71回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] TOF-ERDAに用いる透過型検出器での二次電子軌道シミュレーション (2024)
  • Author(s): 藤井晴也, 仙田敬, 安田啓介, 中溝珠里, 間嶋拓也
  • Organizer: 第71回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] Electrochemical-proton-injection-duration-dependent protonation in brownmillerite SrCoO2.5 epitaxial films (2024)
  • Author(s): Lingling Xie, Yosuke Isoda, Takuya Majima, Daisuke Kan, Yuichi Shimakawa
  • Organizer: 第71回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] プロトン挿入によるVO2エピタキシャル薄膜の物性変調 (2024)
  • Author(s): 藤颯太，菅大介，磯田洋介, 間嶋拓也, 島川祐一
  • Organizer: 第71回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] 電気化学的なプロトン挿入によるVO2薄膜の物性変調 (2024)
  • Author(s): 藤颯太，菅大介，磯田洋介, 島川祐一, 間嶋拓也
  • Organizer: 2024年度粉末冶金協会春季大会
• [Presentation] Lithium depth profiling in a thin-film all-solid-state battery using TOF-ERDA (2023)
  • Author(s): T. Majima, Y. Ogura, C. Hasegawa, B. Tsuchiya, Y. Iriyama, K. Yasuda
  • Organizer: 26th International Conference on Ion Beam Analysis (IBA 26) and 18th International Conference on Particle Induced X-ray Emission (PIXE 18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Heavy ion irradiation effects on ion beam analysis of all-solid-state lithium-ion batteries (2023)
  • Author(s): S. Nakamizo, K. Kurihara, S. Yamamoto, Y. Iriyama, K. Yasuda, and T. Majima
  • Organizer: 26th International Conference on Ion Beam Analysis (IBA 26) and 18th International Conference on Particle Induced X-ray Emission (PIXE 18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TOF-ERDA system for analysis of all solid state lithium ion buttery (2023)
  • Author(s): K. Yasuda, C. Hasegawa, H. Fujii, T. Shima, S. Nakamizo and T. Majima
  • Organizer: 26th International Conference on Ion Beam Analysis (IBA 26) and 18th International Conference on Particle Induced X-ray Emission (PIXE 18)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Property control of the strontium iron oxide Sr(Fe,Co)Oy by electrochemical insertions and extractions of protons (2023)
  • Author(s): Y. Isoda, D. Kan, T. Majima, and Y. Shimakawa
  • Organizer: 29th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE-29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reversible property control of the strontium iron oxide SrFeOy by electrochemical proton insertions and extractions (2023)
  • Author(s): Y. Isoda, D. Kan, T. Majima, and Y. Shimakawa
  • Organizer: Materials Research Meeting 2023 (MRM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全固体リチウムイオン二次電池分析のためのTOF-ERDA装置の開発 (2023)
  • Author(s): 安田啓介，長谷川千華，藤井晴也，島始輝，中溝珠里，間嶋拓也
  • Organizer: 第35回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会
• [Presentation] TOF-ERDA 装置の大立体角化と検出効率の向上 (2023)
  • Author(s): 藤井晴也，仙田敬，長谷川千華，島始輝，安田啓介，中溝珠里，間嶋拓也
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] プロトン脱挿入によるSr(Fe,Co)O3－δの電気化学的物性制御 (2023)
  • Author(s): 磯田洋介，菅大介，中溝珠里，間嶋拓也，島川祐一
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Heavy ion irradiation effects on all-solid-state lithium-ion batteries in TOF-ERDA measurements (2023)
  • Author(s): S. Nakamizo, K. Kurihara, S. Yamamoto, Y. Iriyama, K. Yasuda, T. Majima
  • Organizer: 量子理工学教育研究センター第24回公開シンポジウム
• [Presentation] Electrochemical Property Control of Oxygen-Deficient Perov-skite Sr(Fe,Co)O3－δ Epitaxial Films (2023)
  • Author(s): Y. Isoda, D Kan, S. Nakamizo, T. Majima, Y. Shimakawa
  • Organizer: 量子理工学教育研究センター第24回公開シンポジウム
• [Presentation] TOF-ERDA装置の大立体角化と検出効率の向上 (2023)
  • Author(s): 藤井晴也, 仙田敬, 長谷川千華, 島始輝, 安田啓介, 中溝珠里, 間嶋拓也
  • Organizer: 量子理工学教育研究センター第24回公開シンポジウム
• [Presentation] MeVイオンビームを用いた軽元素分析と微小液滴表面での重イオン誘起反応 (2023)
  • Author(s): 間嶋拓也
  • Organizer: 産業科学研究所ナノテクノロジーセンター若手セミナー
  • Invited
• [Presentation] 結晶方位に依存した遷移金属酸化物SrFeOxへの電気化学的プロトン注入 (2023)
  • Author(s): 磯田洋介，菅大介，間嶋拓也，島川祐一
  • Organizer: 第70回応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] MeVイオンを用いた軽元素分析および液滴表面での重イオン誘起反応 (2022)
  • Author(s): 間嶋拓也
  • Organizer: 量子理工学教育研究センター第23回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] リチウムイオン二次電池分析のためのTOF-ERDA装置の開発(Ⅱ) (2022)
  • Author(s): 長谷川千華，操谷佳奈，谷本和樹，安田啓介，小倉弓枝，間嶋拓也
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Development of TOF-ERDA system and application to ASSLB measurements (2022)
  • Author(s): C. Hasegawa, K. Yasuda and T. Majima
  • Organizer: 第23回「イオンビームによる表面・界面解析」特別研究会
• [Remarks] 京都大学大学院工学研究科原子核工学専攻量子ビーム科学（３－１）加速器グループ
  • URL: http://www.nucleng.kyoto-u.ac.jp/Groups/Gr3/