Studies of contact and size effects for a single nano-particle by X-ray diffraction measurements

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K04904
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• Principal Investigator: 福山 祥光 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 研究員 (20332249)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ナノ粒子 / レーザートラップ / Ｘ線回折

Outline of Annual Research Achievements

近年、ナノ粒子に対する特異な構造物性が基礎と応用の両面から注目されている。ナノ粒子の特異な物性は粒子のサイズと形状に大きく左右されることがこれまでの研究で知られている。一方、これまでナノ粒子の研究はサイズや形状が異なるナノ粒子の集団に対して行われてきた。これは孤立したナノ粒子1粒に対する確立した試料保持法がなかったためである。また、ナノ粒子の物性は粒子と装置との接触の有無にも大きく左右されることが容易に予想される。本研究の目的は、小型レーザーによる光トラップと放射光X線マイクロビームを組み合わせることにより、ナノ粒子1粒を非接触に保持し、X線回折像を測定する手法を世界に先駆けて開発することである。
本研究では、波長1064nmの小型レーザーを用いて、粒径100nm～1μmのナノ粒子1粒を非接触に空気中で保持できる試料保持装置を開発した。粒径約200nmの酸化亜鉛(ZnO)粒子1粒をこの試料保持装置で保持し、集光した高輝度放射光Ｘ線を照射することにより、酸化亜鉛ナノ粒子1粒のＸ線回折測定を成功させた。ナノ粒子1粒の回折像はナノ粒子集団に対する従来の粉末回折像と同程度の質を持ち、粒径と構造情報を同時に得ることが出来た。現在は様々なナノ粒子に対する粒径と構造の同時計測を行っている。今後、従来のナノ粒子の集団に対する測定では知り得なかった、粒子－粒子間相互作用や粒子－壁間相互作用の存在やその大きさの粒子サイズへの依存性を明らかにできることが期待できる。また、粒子集団には必ず存在する粒径分布の影響を排除した物性測定を実現できることから、ナノ粒子1粒の真の物性を解明出来ることが期待される。