2019 Fiscal Year Annual Research Report
Semiconductor electron beam source that brings fine-area dynamics observation technology to damage sensitive samples
| Project/Area Number |
19H00666
|
|---|
| Research Institution | Nagoya University |
|---|
Principal Investigator |
西谷 智博 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 客員准教授 (40391320)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
目黒 多加志 東京理科大学, 理学部第二部物理学科, 教授 (20182149)
洗平 昌晃 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20537427)
成田 哲博 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (30360613)
保田 英洋 大阪大学, 工学研究科, 教授 (60210259)
本田 善央 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (60362274)
石川 史太郎 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 准教授 (60456994)
田渕 雅夫 名古屋大学, シンクロトロン光研究センター, 教授 (90222124)
七井 靖 青山学院大学, 理工学部, 助教 (80755166)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 半導体フォトカソード / 窒化ガリウム半導体 / ガリウムヒ素半導体 / 電子ビーム / 負電子親和力表面 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電子線による損傷が制御され、ドリフトやブラウン運動が原因の像ブレを解消するだけでなく、ナノ秒領域までの試料の動態や反応の時間分解能までの観測を実現するため、2019年度の実施研究は設定した目標に対して、半導体材料とその表面処理方法の追究、および電子銃・電子顕微鏡の整備と共に液中試料セルの開発と試料・溶液の条件追究を次の通り行った。
半導体材料の追及：InGaN半導体では、量子効率の電子を生成する半導体層の膜厚との相関から最適化を行い、これまでの開発で最高となる量子効率20％を達成した。AlGaAs半導体では、量子効率を損なわず小さな電子エネルギー分散の実現が可能な超格子構造をエネルギーバンド計算から見積もり、超格子半導体を作成し、量子効率の励起エネルギー依存性の結果から量子閉じ込め効果を確認し、尚且つ生成した電子ビームをソレノイドスキャン法によるエミッタンス測定から最小で電子のエネルギー分散50meVの達成を確認した。表面処理方法の追究：あいちSR、理科大での表面観測を通して得た表面アニール・NEA処理過程に対する量子効率・仕事関数の相関の結果から表面機能がより長時間維持する高耐久化手法を見出した。電子銃・電子顕微鏡整備・液中試料ホルダー：要件を満たすために電子銃と電子顕微鏡との間に縮小ビームオプティクス・ビームシフト・真空作動排気を兼ねた取り合いを設計・作成を行った。かつ独自に考案した液中試料セルを用い、溶液条件最適化により水溶液中の金コロイドの観測に成功した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、半導体、表面、電子銃・電子顕微鏡の何も設計や整備、条件だし・最適化を計画し、次に詳細を示す通り“最終目標に対する達成度“が70％と概ね予定をクリアした。
半導体材料(達成度70%）：(1) AlGaAs系、GaN系半導体の結晶成長作成条件である成長層の膜厚、組成およびp型濃度をパラメータとした半導体構造の結晶成長した-達成度100%-。(2) 作成した半導体の表面にセシウムを蒸着することで負電子親和力表面処理を施し、量子効率とその寿命測定を評価した-達成度100%-。(3) (2)で得られた実験結果を半導体構造設計へフィードバックし、①②を行程として、高い量子効率と速い応答性、高耐久を兼ねる半導体フォトカソードを実現する-達成度50%-。(4) (3)までの行程で有望と判定した半導体フォトカソード素子を名古屋大学所有の半導体フォトカソード電子銃を搭載した透過型電子顕微鏡による像観測により、可干渉性を評価する-達成度50%-。(5) (4)で得られた評価結果を、更に各半導体構造の設計へとフィードバックし、より可干渉性の良い電子ビーム発生に優れた半導体を作成する-達成度50%-。
表面処理方法(達成度70%）: (1) NEA表面処理過程、表面劣化状態について表面観測を行い-達成度100%-、(2) 高量子効率かつ高耐久な表面処理方法を見出し-達成度60%-、また(3) 第一原理計算を用いた表面構造・ポテンシャルモデル追求を開始-達成度60%-した。
電子銃・電子顕微鏡整備・液中試料セル(達成度70%)：電子銃は電子ビームの縮小・シフトを行うビームオプティクスを設計・製作を行い-達成度80%-、名古屋大学および大阪大学所有の電子顕微鏡の設置およびカメラの整備-達成度80%-、独自考案した液中試料セルを製作し水溶液中の金ナノコロイドの観測まで至った-達成度50%-。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究の最終目的である“電子線による損傷が制御され、ドリフトやブラウン運動が原因の像ブレを解消し、ナノ秒領域までの試料の動態や反応の時間分解能までの観測の実現“に向けた効率的推進策として、2019年度に得られた研究成果と進捗を利用して、従前のマイルストーン目標から次の通り焦点を更に絞り実施する。
A)電界放出型電子源と同等の単色性と1000倍以上の高い電流引出し（＞１mA）。
B)凍結試料のドリフト（～10nm/s）に対しては１ミリ秒、液中試料のブラウン運動（～10μm/s）に対しては100ナノ秒以下の速い撮像が必要のため、パルス幅は100ナノ～1ミリ秒の範囲で調整可能であること。
C)パルス繰返し周波数は最小１パルス生成から100マイクロ秒以下の間隔で生成し、かつ検出器やカメラと同期が可能であること。
今後の実施研究は、A)~C)を満たす半導体とその表面処理の追究、A)~C)に対応した実験が可能な電子銃と電子顕微鏡の開発・整備を進め、最終目的に不可欠な試料セルと試料溶媒条件の追究を遂行していく。
|
