2019 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of platform for the next generation synchrotron radiation microspectroscopy by multi-dimensional X-ray ptychography
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18H05253
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 幸生 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00415217)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | X線 / 可視化 / 放射光 / 位相回復 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、以下の3つの項目を中心に実施した。①マルチビーム光学系を用いたタイコグラフィ計測法の開発、②タイコグラフィ位相回復計算法の高度化、③その場観察測定システムの開発。
①：集光径100nmを有するタイコグラフィ用全反射集光光学系を設計・製作し、マルチビーム光学系に組み込んだ。そして、SPring-8において開発した光学系を用いてテストパターンのタイコグラフィ測定を行った。単一ビームを用いた従来のX線タイコグラフィと比較したところ、同じ測定時間で広い観察視野が得られることが分かった。これにより、部分コヒーレント光である放射光X線の利用効率が3倍程度向上し、タイコグラフィの測定時間を従来の半分程度に短縮することが可能になった。また、光学素子としてランダムホールアレイを用いることで位相回復計算の収束性を向上させ、ビームの数を10程度に増やすことが可能であることを計算機シミュレーションにより確認した。
②：全変動正則化(試料構造が滑らかであることを先験情報として解析に利用すること)を位相回復計算に組み込むことを提案した。この位相回復アルゴリズムを用いることで、位相回復計算の収束性が向上し、マルチビームＸ線タイコグラフィの高精度像再生が可能になった。
③：当初の計画を前倒しして、その場X線タイコグラフィ－計測システムの開発を行った。具体的には、真空チャンバー、真空排気装置、顕微サーモグラフィを備えたその場観察リハーサルシステムを東北大学に構築した。
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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
当初予定していた計画を順調に進めることができた。マルチビーム光学系を用いたタイコグライフィを実証し、測定時間を短縮することに成功した。また、当初の計画を前倒しして、その場X線タイコグラフィ計測システムの開発を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究として、①位相モジュレータの製作とそれを用いたＸ線タイコグラフィ実験、②高温下その場タイコグラフィ測定システムの開発、③X線タイコグラフィによる実用機能性材料の観察ならびに構造－機能相関解析を行う。
①に関して、ランダムホールアレイを位相モジュレータとして用いることで、タイコグラフィ位相回復計算の収束性を更に向上させる。計算機シミュレーションにより、ランダムホールアレイの最適なホールサイズと分布を決定する。ランダムホールアレイは窒化ケイ素膜上にPtを成膜し、集束イオンビーム加工を施すことで作製する。SPring-8において位相モジュレータをタイコグラフィ装置に組み込み、テストパターンを用いた実証実験を行う。
②に関して、試料加熱機構を備えたその場タイコグラフィ計測システムを開発する。具体的には、窒化ケイ素膜上にPt細線パターンをマスク蒸着により作製し、Pt細線パターンへの電流印可により窒化ケイ素膜上の試料を局所的に加熱するシステムを開発する。リハーサルシステムを用いて、試料加熱システムの評価実験を行う。
③に関して、半田合金粒子、タイヤゴム、蓄電池正極材料のタイコグラフィ測定をSPring-8にて行う。半田合金粒子はナノスケールで共晶組織の変化する様子、タイヤゴムはシリカ粒子が凝集する様子、蓄電正極材料はリチウムイオンが拡散する様子を観察する。観察像にデータマイニング等の解析を施すことにより、構造－機能相関を抽出する。
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