2017 Fiscal Year Research-status Report

2次元ｑ分解ＥＥＬＳ解析法の構築と熱線遮蔽材電子励起の局在性評価への応用

Research Project

Project/Area Number	17K14075
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	佐藤庸平東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (70455856)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	電子エネルギー損失分光法 / 運動量移送分解EELS / 熱線遮蔽材料
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題では、電子顕微鏡を用いた運動量移送分解電子エネルギー損失分光(q-EELS)測定を、2次元空間全体から高エネルギー分解能・高運動量移送分解能で取得する手法の確立を行い、熱線遮蔽材料として用いられているCs0.33WO3の近赤外領域での吸収の起源について解明することである。このことを実現するため、電子顕微鏡を用いたqEELS測定条件の再検討を行い、ｑ分解ＥＥＬＳ測定の高精度化を行った。近赤外領域でのプラズモンや電子励起強度のｑ依存性を調べるためには、これまでの測定条件よりエネルギー分解能(目標0.1eV)・q分解能(目標0.05Å^-1以下)の向上が必要である。また局所領域からの測定を可能にするため、電子線照射領域を直径100nm以下で測定できるようにする。そのような測定条件を実現するために電子顕微鏡のレンズ励磁条件を１つ１つ定量的に調査し、装置性能を最大限引き出すための条件探索を行った。現在のところ、直径50nmの測定領域から、エネルギー分解能0.2eV・運動量移送分解能0.04Å^-1での計測が実現しており、近赤外領域での計測が可能な性能に達している。これらの測定条件を既知の材料(Al、Si、Graphite、hBN、LaB6等)に適用し、これまでの報告やバンド構造と比較することで、装置性能評価を行った。AlとSiのqEELS測定により決定したプラズモンエネルギーのq分散係数は、これまでの報告と良い一致を示し、本測定手法の信頼性を確認した。Graphite・hBNのqEELS測定から、バンド間遷移のq依存性を観測することに成功し、バンド構造から説明可能であることを示した。更に近赤外領域にキャリアー電子のプラズモンピークが現れるLaB6のqEELS測定を行い、近赤外領域においても測定可能であることが明らかになった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason qEELS測定における電子顕微鏡のレンズ条件の確立を行い、測定領域直径50nmからエネルギー分解能0.2eV・運動量移送分解能0.04Å^-1を実現した。エネルギー分解能は目標の0.1eVに満たなかったものの、測定領域と運動量移送分解能においては当初の目標以上の精度を出すことに成功した。この測定条件で既知の材料、Al、Si、Graphite、hBN、LaB6のq分解EELS測定を行った。Al、SiのqEELSを行い、これまで報告されている実験データと良い一致を示すことを確認し、本測定手法の信頼性を確認した。Graphite・hBNの2次元qEELS測定を他の材料に先駆けて行い、バンド間遷移のq依存性に対応したデータが得られることを明らかにした。さらに、LaB6のqEELS測定を行い、近赤外領域に現れるプラズモンピークのq分散計測に成功した。q分散係数より、LaB6中のキャリアー電子は自由電子ガスとしての振る舞いが支配的であることを明らかにすることができた。熱線遮蔽材料であるCs0.33WO3のqEELS測定を行った。近赤外領域にキャリアー電子に起因したプラズモンピークが観測され、q分散する様子を観測した。q分散係数より自由電子ガスモデルでは説明できず、電子相関を考慮した準自由電子ガスモデルで説明できることを明らかにした。以上のことから、本研究課題はおおむね順調に進展していると考えられる。
Strategy for Future Research Activity	今後は、qEELSの測定性能の更なる向上を目指す。特に現状のエネルギー分解能は0.2eVであり、目標にいまだ到達していないため、更なる工夫が必要である。より高エネルギー分解能のデータを得るため、q取込スリットの幅を狭めたスリットを作製することが必要である。現在、日本電子（株）にFIB加工を依頼している。 Cs0.33WO3結晶の2次元q分解EELS測定を試みる。これまでのところ、q方向が結晶のab面方向とc軸方向に平行なときで、プラズモンエネルギーの異方性を確認している。2次元空間全体からqEELSを計測することで、プラズモンエネルギーがq空間でどのように変化するのかを示すデータの取得を行う。更にqEELSデータ解析のためのシステム構築をpythonコードを用いて行う。このシステムにより、大量のデータ量が見込まれる2次元qEELSデータの効率の良い解析システムを目指す。
Causes of Carryover	平成２９年度は、測定時に照射する電子線のプローブ電流を増加させる目的で加速電圧の改造のための予算を計上した。更に電子顕微鏡用試料を加工するための備品購入のための予算を計上した。試料を保管するための備品を購入した。物品費で合計\1,548,279を計上した。本研究課題に関連する成果報告を日本物理学会にて報告し、そのための旅費を合計\146,020計上した。本年度は電子顕微鏡実験に必要な物品の購入を50万円程度で計画している。データ解析システム構築に関連して、データ解析用PCの購入を20万程度で計画している。研究成果を発表するための国内・国際会議の出席を予定しており、旅費を40万円程度計上する予定である。