2018 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
18H05518
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福谷 克之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10228900)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
町田 晃彦 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員(定常) (70354983)
大友 季哉 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (90270397)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / 量子ビーム計測 / 金属水素化物 / 金属酸化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究では，水素化物を精密計測するための核反応法（NRA），中性子回折（ND），X線回折（XRD）の高度化を図るとともに，水素化過程や機能発現その場解析可能なオペランド計測技術を導入することで，新学術領域の他の計画研究と連携し，新規水素化物や水素化過程の解析を行う．さらにシミュレーション技術と連携して水素データ同化技術を確立することで，ハイドロジェノミクスの基盤を築き，高次水素機能を誘起する学理構築を目指している．
本年度は，計測法の高度化として以下の課題に取り組んだ．NRAとしてアンチコインシデンスによる背景信号の低減および信号処理エレクトロニクスの増強により，測定時間の短縮と測定感度の向上を達成した．ガスハンドリングシステムと試料の冷却機構の導入，伝導測定が可能な試料ステージの開発を行い，種々の温度でのガス曝露と水素イオン打ち込み，さらに試料伝導度とNRAの同時測定可能にした．NDとして，全散乱装置においてラジアルコリメータを導入することで，試料以外からの散乱信号を抑制し，中性子散乱測定におけるS/N比の100倍向上に成功した．XRDとして， 大面積デジタルX線検出器と解析プログラムを導入しX線全散乱から導出した原子二体分布関数解析の高度化を進め，さらに検出器の水冷ユニットを導入することでダークノイズの時間変化を抑えることに成功し，長時間の測定による高精度な測定が可能となった．
これらの測定法を活用し，次の研究を推進した．NRAにより，種々の水素化物薄膜の水素量の定量に成功し，デバイス特性との相関観測に成功した．NDにより，VTiCr水素貯蔵合金における水素吸蔵放出サイクル依存して1水素化物における水素原子の振動状態が変化することを明らかにし，劣化機構の検討を行った．XRDにより，アルミニウムベースの新規水素化物の放射光X線回折測定を実施しその構造解析に取り組んだ．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
核反応法の高度化して取り組んだアンチコインシデンスによる背景信号の低減および信号処理エレクトロニクスの増強は，いずれも設計通りの性能を実現し問題なく完了した．これにより，予測した測定時間の短縮と測定感度の向上を達成した．核反応のその場測定を実現するためのガスハンドリングシステムと試料の冷却機構についても順調に開発を進め，Pd薄膜について種々の温度でのガス曝露と水素イオン打ち込み，さらに試料伝導度とNRAの同時測定を実現した．これにより，それまで不明であった水素イオン打ち込みによる水素吸蔵量の定量に成功し，伝導度変化との相関を明らかにした．中性子散乱では，試料合成やデバイス動作下でのその場観測を行うことを目指してJ-Parc中性子全散乱装置においてラジアルコリメータを新たに設計・製作した．その場観測においては，試料以外からの散乱信号を抑制する必要があり，ラジアルコリメータにより実現し，中性子散乱測定におけるS/N比の100倍向上に成功した．VTiCr水素貯蔵合金における水素吸蔵放出過程の解析では，中性子全散乱実験データを用いた構造解析と中性子非弾性散乱による水素振動エネルギーの観測を行い，サイクル数に依存して複数の相が出現することを見出し，これが吸蔵量減少の要因の一つとなっていることを見出した．X線回折では，水素化に伴う微少な骨格構造の変化を観測することが肝要であり，そのために大面積デジタルX線検出器と解析プログラムの導入，検出器冷却系の構築により，広範囲のデータ取得と測定系の長時間安定化をはかった．これにより，X線全散乱測定結果から高精度の原子二体分布関数解析を可能にした．これにより，広汎な水素化物の高精度解析を進める基盤が整った．
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| Strategy for Future Research Activity |
NRAについて，水素位置決定のためにチャネリングを併用したシステムを構築する．ビームの並行度を制御するビームコリメータと試料の角度を精密に制御する試料回転機構の導入することで，イオンビームのチャネリングプロファイルの観測を行う．核反応との同時計測システムを構築し，チャネリングーNRAの計測を実現する．これを利用してPdおよびTiO2における水素の定量と格子間位置解析を行い，電子状態の測定と合わせて水素の構造と電子物性との相関解明に取り組む．また，温度依存性の測定から水素の拡散過程の観測を試みる．NDについて，前年度に導入したラジアルコリメータの性能評価として、標準試料測定データの絶対値補正およびシミュレーションデータとの比較を行い，Rietveld法による結晶構造解析によりオペランド環境でのデータ信頼性評価を行う．また，軽水素位置の決定精度向上のため偏極中性子を用いた回折測定を行うためのセットアップの設計と製作を行う．水素貯蔵合金V10Ti55Cr45における水素吸蔵放出サイクルにおける劣化メカニズムの解明を行う．XRDとして，コヒーレントX線回折イメージング法の開発を行う．ビームラインと検出系の整備を行い，さらに温度・ガス圧力など測定環境可変機構を導入する．測定試料を特定するために，デジタルマイクロスコープの導入を行い，結晶粒子の水素化に伴う構造変化の非破壊3次元可視化を試みる．前年度に開発したX線全散乱測定とコヒーレントX線回折イメージング法では，観測する実空間領域が異なるため，高精度な局所構造解析を行うための測定手法の高度化を実施する．
これらの実験結果をもとに，シミュレーションにおけるデータ同化技術の開発を行う．ほかの計画研究グループとも連携し，水素化物薄膜や錯体水素化物の解析への応用を試みる．
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