2022 Fiscal Year Annual Research Report
Nanoscale Interface Characterization
| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
19H05788
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柴田 直哉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10376501)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 剛久 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20220478)
石川 亮 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (20734156)
馮 斌 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (20811889)
栃木 栄太 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (50709483)
関 岳人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90848558)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 原子分解能局所電磁場観察 / 機能コア電磁場 / 機能コア3次元原子構造 / 機能コア電子状態 / 機能コアその場観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は下記の成果が得られた。
①半導体異相界面における電場および電荷の実空間定量観察：本年度はこれまでに開発した超高空間分解能電場定量観察法を活用し、GaN/AlInN半導体異相界面におけるナノスケール電場の定量観察を試みた。傾斜スキャンシステムと超高感度・高速分割型検出器を搭載した原子分解能磁場フリー電子顕微鏡を用いて、格子ミスフィットの異なるGaN/AlInN異相界面を観察した結果、それぞれの異相界面における電場強度と界面蓄積電荷密度は理論予測と良い一致を示し、界面局所電場・電荷密度の可視化と定量化に成功した。
②Al2O3粒界における複数元素共同偏析メカニズムの解明：原子分解能STEM-EDSと第一原理計算を高度に融合し、CaとSiを添加したAl2O3粒界における共偏析メカニズムの解明を試みた。STEM-EDS解析の結果、CaとSiの共偏析により粒界は最安定構造から広い自由体積を有する構造へと構造変化し、CaとSiはそれぞれ特定の原子サイトに強く偏析することが観察された。さらに第一原理計算を用いて添加元素の配置を網羅的に計算した結果、CaとSiはイオンサイズ効果とクーロン反発効果の最適バランスによって3次元的に規則配列し、粒界は複雑な構造へと構造転移することが分かった。
③触媒界面における劣化機構の解明：本年度は原子分解能電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法を用いて、高温下におけるPtナノ粒子―TiO2基板界面の構造解析を行った。その結果、高温下においてPt―Ti合金ナノ粒子が形成され、TiO2基板へ浸透することが観察された。このような構造変化は触媒劣化の一要因であると考えられる。
④他班との機能コア材料連携研究: 本年度もZnS,TiO2,GaNなど多岐にわたる構造材料や機能性薄膜材料の機能コアを対象に、他班と密接に連携研究を推進しており、共同で数多くの研究成果を挙げた。
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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
本班はこれまでに①機能コア局所電磁場の直接定量計測手法、②原子分解能３次元機能コア構造・組成計測手法、③機能コアその場観察・物性計測手法など種々の機能コア観察手法開発に取り組んでおり、いずれも計画通りに開発が進んでいる。さらにこれらの手法は現在、応用研究へ展開されつつあり、一部関連の成果はハイインパクト国際学術論文にも掲載されている。また、本班は現在30件以上の領域内連携研究を推進している状況にあり、数多くの共同論文成果を挙げている。以上により、本研究は順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本プロジェクトの最終年度では、これまでに開発した新規機能コア観察手法を積極的に活用し、機能コア解析の応用研究に着眼した研究を推進する予定である。具体的には以下に示す研究項目を重点的に推進する予定である。
①原子分解能機能コア局所電磁場観察法の応用：これまでに確立された超高分解能電磁場定量観察法を用いて、イオン伝導体、半導体デバイスなど実用材料・デバイスにおける多様な機能コアに応用展開することで、材料機能発現メカニズムの解明を目指す。
②機能コアその場観察・物性計測手法の応用：これまでに確立した応力印加その場観察手法を用いて、アルミナやジルコニアなど実用構造材料の力機能コアの動的挙動を観察する。また並行して、電場・磁場印加による半導体電磁気機能コアその場定量観察を行う予定である。
③他班との機能コア材料連携研究：本年度も他班との共同研究を加速化し、電子顕微鏡による解析支援を積極的に推進する。また他班の研究者と連携し、本年度までに得られた知見をベースに、機能コアに基づく学理の構築とその概念の普及を図り、本プロジェクト最終目標の達成を目指す。
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