2020 Fiscal Year Annual Research Report
Atom-by-atom imaging of ion dynamics in nano-structures for materials
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17H06094
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
幾原 雄一 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70192474)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柴田 直哉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10376501)
中村 篤智 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20419675)
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, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50709483)
溝口 照康 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (70422334)
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) |
2017-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 原子・イオン / 格子欠陥 / ダイナミクス / TEM/STEM / その場観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の主たる研究成果は下記の通りである。
1. 超高速ダイナミクス観察法の開発：収差補正高分解能透過型電子顕微鏡と高速CMOSカメラを用いた原子分解能高速観察法を確立するため、電子線電流値、観察倍率、取得解像度、フレームレート等の種々の観察パラメータの検討を進め、所望の空間分解能、時間分解能にて動的観察が実施できることを確認した。
2. 粒界における原子ダイナミクスの直接観察：結晶粒の境界である粒界の移動現象を原子レベルで解明するため、構造用セラミックスであるアルミナの対応粒界を作製し、原子分解能走査透過型電子顕微鏡内にて粒界近傍に点欠陥の供給源を導入、粒界構造変化を観察した。結果、粒界移動が認められ、その際の粒界原子構造はいくつかの準安定構造を経由して逐次的に進行することが明らかとなった。
3. 亀裂進展ダイナミクスの直接観察：原子分解能その場機械試験法により酸化物単結晶におけるノッチの開口試験を行った。結果、ノッチ底部より亀裂が形成、進展していく様子が原子レベルにて捉えられた。亀裂破面は原子レベルで平坦ではなく電気的に中性となる構造を取ることが明らかとなった。
4. イオン拡散に伴う異相界面構造変化の解析：二次電池用材料として重要なLi系酸化物の原子・イオン挙動の解析を包括的に進めた。Li2MnO3において、Liの脱離反応に伴い形成されるLi欠乏層と母相との界面には格子ミスマッチを補償するように転位が導入されていることが分かった。従って、転位の形成過程が容量や耐久性といった電池用材料の性能に密接に関連していることが示唆された。
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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
これまでの研究の進展により、原子・イオンダイナミクス観察に関する研究成果が結実しつつある状況である。粒界における原子ダイナミクスの直接観察に関する研究結果をはじめとして、国際学術論文や国内外の学術会議での研究報告も進んでおり、一定の研究成果が収められていると評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は主に下記の項目を重点的に進める予定である。
1. 超高速ダイナミクス観察法の開発：上半期において電子線やその場観察用ホルダーの制御パラメータをチューニングし、超高速その場観察実験により取得されるデータの高精度化を図る。
2. 結晶格子欠陥における機能元素ダイナミクスの直接観察：転位や粒界における機能元素の動的挙動の直接観察実験を進める。バイクリスタル法により高度に制御された転位や粒界構造を作製、同時に機能元素を導入する。STEM内でその場電圧印可や加熱実験を実施することにより機能元素のダイナミクスを原子レベルにて観察する。このことにより、機能元素の機能元素の活性化過程、拡散パス、運動メカニズムに関する情報の取得を図る。
3. 変形・破壊ダイナミクスの直接観察およびデータ解析：前年度までの実験により変形双晶の成長過程ならびに亀裂伝播過程の原子レベル直接観察が達成されている。本年度は塑性変形の素過程として重要な転位運動に伴う原子ダイナミクスの直接観察実験を行う。また、得られた大容量データを効率的に解析し、変形・破壊現象の本質を理解することを目指す。
4.研究総括：5年間に執り行われた実験、解析結果を総括し、ナノ構造設計・制御指針を確立、新物質・新材料開発の基礎・基盤学理の構築を図る。
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Research Products
(112 results)
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[Journal Article] Atomistic origin of high-concentration Ce3+ in {100}-faceted Cr-substituted CeO2 nanocrystals2021
Author(s)
X. Hao, A. Yoko, K. Inoue, Y. Xu, M. Saito, C. Chen, G. Seong, T. Tomai, S. Takami, A.L. Shluger, B. Xu, T. Adschiri, Y. Ikuhara
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Journal Title
Acta Materialia
Volume: 203
Pages: 116473
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Dislocation-toughened ceramics2021
Author(s)
Lukas Porz, Arne J. Klomp, Xufei Fang, Ning Li, Can Yildirim, Carsten Detlefs, Enrico Bruder, Marion Hofling, Wolfgang Rheinheimer, Eric A. Patterson, Peng Gao, Karsten Durst, Atsutomo Nakamura, Karsten Albe, Hugh Simons, Jurgen Rodel
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Journal Title
Materials Horizons
Volume: -
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Conceptual Framework for Dislocation-Modified Conductivity in Oxide Ceramics Deconvoluting Mesoscopic Structure, Core, and Space Charge Exemplified for SrTiO32020
Author(s)
Lukas Porz, Till Fromling, Atsutomo Nakamura, Ning Li, Ryohei Maruyama, Katsuyuki Matsunaga, Peng Gao, Hugh Simons, Christian Dietz, Marcus Rohnke, Jurgen Janek, Jurgen Rodel
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Journal Title
ACS Nano
Volume: -
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Composition gradient (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O-3-(x)(Ba0.7Ca0.3)TiO3 film with improved dielectric, piezoelectric and ferroelectric temperature stability2020
Author(s)
R. J. Zhu, Z. M. Wang, Z. X. Cheng, X. L. Guo, T. Zhang, Z. L. Cai, H. Kimura, T. Matsumoto, N. Shibata, and Y. Ikuhara
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Journal Title
Ceramics International
Volume: 46
Pages: 20284-90
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Phase-Contrast-Based Structure Retrieval Methods in Atomic Resolution Scanning Transmission Electron Microscopy ? When They Hold and When They Don't2020
Author(s)
S. Findlay, L. Allen, H. Brown, Z. Chen, J. Ciston, Y. Ikuhara, R. Ishikawa, C. Ophus, G. Sanchez-Santolino, T. Seki, N. Shibata, M. Weyland
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Journal Title
Microscopy and Microanalysis
Volume: 26
Pages: 442-443
DOI
Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Discovery of Ternary Silicon Titanium Nitride with Spinel-Type Structure2020
Author(s)
Shrikant Bhat, Abhijeet Lale, Samuel Bernard, Wei Zhang, Ryo Ishikawa, Shariq Haseen, Peter Kroll, Leonore Wiehl, Robert Farla, Tomoo Katsura, Yuichi Ikuhara, Ralf Riedel
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 10
Pages: 7372
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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