Li化学状態の空間分布を可視化する極低エネルギー軟X線顕微鏡の開発

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02853
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 堀場 弘司 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員 (10415292)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 細野 英司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80462852) ; 北村 未歩 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 助教 (00783581)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 軟X線吸収分光 / 転換可視蛍光収量 / Liイオン電池

Outline of Annual Research Achievements

Liは蓄エネルギーデバイスの根幹を担う元素として近年その重要性が益々高まっており、特にLiイオン電池等の蓄エネルギーシステムは、固体電極活物質内へのイオンの空間的移動を動作原理とするため、物質中におけるLiイオンの空間的挙動を解明することは非常に重要である。Liイオンを元素識別するためにはX線吸収端の利用が必要不可欠であるが、Li元素における唯一のX線吸収端である50 eV付近の極低エネルギー軟X線は物質への透過力が非常に小さいため、通常の透過型集光素子や試料透過X線測定を用いた軟X線顕微分光の適用が困難である。そこで本研究では、反射型集光素子や転換可視蛍光収量法などの新しい要素技術を適用して、極低エネルギー軟X線領域でも利用可能な走査型透過軟X線顕微鏡を開発し、Liイオン電池等におけるLiイオン化学状態のナノスケール空間分布の可視化を目指す。これまでに、50eVでの集光が可能な反射型集光素子であるK-Bミラーシステムの設計・作製を行い、10ミクロン級の集光に成功した。またこの集光システムをARPES装置に組み込み、空間分解能10ミクロンでの分光測定に成功した。
令和4年度は、この開発したマイクロ集光ARPESシステムを用いて様々な微小試料や不均一試料における顕微分光計測を行うとともに、別ビームラインにおいてLiイオンのX線吸収分光計測に取り組み、金属LiやLi化合物等の試料においてLiK吸収端の吸収分光計測に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究申請における達成目標は、目的である「50 eVの極低エネルギー軟X線領域でも利用可能な走査型透過軟X線顕微鏡」を完成させることにある。完成までの工程としては、
①転換可視蛍光収量法の改善に取り組み、50 eVの極低エネルギー軟X線において高効率・高性能で利用可能なシンチレーション基板の探索と検出システムの最適化を行う。
②K-Bミラー集光システムを構築し、50 eVの極低エネルギー軟X線においてマイクロビームを達成する。
③①と②の両者を融合し、また顕微分光用の高精度試料走査ステージと組み合わせてシステム化することで、50 eVの極低エネルギー軟X線領域でも利用可能な走査型透過軟X線顕微鏡を実現する。
の3段階に分けられる。
現在までに②のK-Bミラー集光システムによる50 eVの極低エネルギー軟X線のマイクロ集光を実現しており、空間分解能10μmでの分光計測に成功していることから、ほぼ目標を達成出来ている。また①についても検出システムの開発が進んでおり、計画通り順調に推移している。

Strategy for Future Research Activity

本研究申請における達成目標は、目的である「50 eVの極低エネルギー軟X線領域でも利用可能な走査型透過軟X線顕微鏡」を完成させることにある。完成までの工程としては、
①転換可視蛍光収量法の改善に取り組み、50 eVの極低エネルギー軟X線において高効率・高性能で利用可能なシンチレーション基板の探索と検出システムの最適化を行う。
②K-Bミラー集光システムを構築し、50 eVの極低エネルギー軟X線においてマイクロビームを達成する。
③①と②の両者を融合し、また顕微分光用の高精度試料走査ステージと組み合わせてシステム化することで、50 eVの極低エネルギー軟X線領域でも利用可能な走査型透過軟X線顕微鏡を実現する。
の3段階に分けられる。
現在までに②のK-Bミラー集光システムによる50 eVの極低エネルギー軟X線のマイクロ集光および顕微分光実験を実現しており、今後は引き続き①の検出システム開発に重点的に取り組んでいく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Direct Imaging of Band Structure for Powdered Rhombohedral Boron Monosulfide by Microfocused ARPES (2023)
  • Author(s): K. Sugawara, H. Kusaka, T. Kawakami, K. Yanagizawa, A. Honma, S. Souma, K. Nakayama, M. Miyakawa, T. Taniguchi, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, S. Orimo, M. Toyoda, S. Saito, T. Kondo, and T. Sato
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Pages: 1673~1679
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04048
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox Reaction in Ti-Mn Redox Flow Battery Studied by X-ray Absorption Spectroscopy (2023)
  • Author(s): D. Asakura, E. Hosono, M. Kitamura, K. Horiba, E. Magome, H. Setoyama, E. Kobayashi, H. Yuzawa, T. Ohigashi, T. Sakai, R. Kanega, T. Funaki, Y. Sato, and A. Ohira
  • Journal Title: Chemistry-An Asian Journal Volume: 18 Pages: e202201047-1~9
  • DOI: 10.1002/asia.202201047
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of nano-ARPES beamline at 3-GeV next-generation synchrotron radiation facility, NanoTerasu (2022)
  • Author(s): K. Horiba, T. Imazono, H. Iwasawa, K. Fujii, J. Miyawaki, Y. Ohtsubo, N. Inami, T. Nakatani, K. Inaba, A. Agui, H. Kimura, and M. Takahasi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2380 Pages: 012034-1~6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2380/1/012034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fermiology and Origin of Tc Enhancement in a Kagome Superconductor Cs(V1-xNbx)3Sb5 (2022)
  • Author(s): T. Kato, Y. Li, K. Nakayama, Z. Wang, S. Souma, F. Matsui, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, Y. Yao, and T. Sato
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 129 Pages: 047002-1~7
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.206402
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-temperature-processable amorphous-oxide- semiconductor-based phosphors for durable light-emitting diodes (2022)
  • Author(s): K. Ide, N. Watanabe, T. Katase, M. Sasase, J. Kim, S. Ueda, K. Horiba, H. Kumigashira, H. Hiramatsu, H. Hosono, and T. Kamiya
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 121 Pages: 192108-1~6
  • DOI: 10.1063/5.0115384
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Signature of topological band crossing in ferromagnetic Cr1/3NbSe2 epitaxial thin film (2022)
  • Author(s): B. K. Saika, S. Hamao, Y. Majima, X. Huang, H. Matsuoka, S. Yoshida, M. Kitamura, M. Sakano, T. Hatanaka, T. Nomoto, M. Hirayama, K. Horiba, H. Kumigashira, R. Arita, Y. Iwasa, M. Nakano, and K. Ishizaka
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 4 Pages: L042021-1~7
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.L042021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fermiology of a topological line-nodal compound CaSb2 and its implication to superconductivity: Angle-resolved photoemission study (2022)
  • Author(s): C.-W. Chuang, S. Souma, A. Moriya, K. Nakayama, A. Ikeda , M. Kawaguchi, K. Obata, S. Saha, H. Takahashi, S. Kitagawa, K. Ishida, K. Tanaka, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, S. Yonezawa, J. Paglione, Y. Maeno, and T. Sato
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 6 Pages: 104203-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.104203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metallic Surface State in the Bulk Insulating Phase of Ca2-xSrxRuO4 (x = 0.06) Studied by Photoemission Spectroscopy (2022)
  • Author(s): D. Ootsuki, A. Hishikawa, T. Ishida, D. Shibata, Y. Takasuka, M. Kitamura, K. Horiba, Y. Takagi, A. Yasui, C. Sow, S. Yonezawa, Y. Maeno, and T. Yoshida
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Pages: 114704-1~6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.114704
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Giant spin-to-charge conversion at an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba interface with a strongly correlated metal interlayer (2022)
  • Author(s): S. Kaneta-Takada, M. Kitamura, S. Arai, T. Arai, R. Okano, L. Anh, T. Endo, K. Horiba, H. Kumigashira, M. Kobayashi, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 5631-1~8
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33350-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polarity-dependent charge density wave in the kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): T. Kato, Y. Li, K. Nakayama, Z. Wang, S. Souma, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, T. Takahashi, and T. Sato
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Pages: L121112-1~7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.L121112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalously large spin-dependent electron correlation in the nearly half-metallic ferromagnet CoS2 (2022)
  • Author(s): H. Fujiwara, K. Terashima, J. Otsuki, N. Takemori, H. O. Jeschke, T. Wakita, Y. Yano, W. Hosoda, N. Kataoka, A. Teruya, M. Kakihana, M. Hedo, T. Nakama, Y. Onuki, K. Yaji, A. Harasawa, K. Kuroda, S. Shin, K. Horiba, H. Kumigashira, Y. Muraoka, and T. Yokoya
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Pages: 085114-1~13
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.085114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rhombic Fermi surfaces in a ferromagnetic MnGa thin film with perpendicular magnetic anisotropy (2022)
  • Author(s): M. Kobayashi, N. H. D. Khang, T. Takeda, K. Araki, R. Okano, M. Suzuki, K. Kuroda, K. Yaji, K. Sugawara, S. Souma, K. Nakayama, K. Yamauchi, M. Kitamura, K. Horiba, A. Fujimori, T. Sato, S. Shin, M. Tanaka, and P. N. Hai
  • Journal Title: Phys. Rev. Materials Volume: 6 Pages: 074403-1~7
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.074403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic band structure of Ti2O3 thin films studied by angle-resolved photoemission spectroscopy (2022)
  • Author(s): N. Hasegawa, K. Yoshimatsu, D. Shiga, T. Kanda, S. Miyazaki, M. Kitamura, K. Horiba, and H. Kumigashira
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 235137-1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.235137
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intervalence charge transfer and charge transport in the spinel ferrite ferromagnetic semiconductor Ru-doped CoFe2O4 (2022)
  • Author(s): M. Kobayashi, M. Seki, M. Suzuki, R. Okano, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, A. Fujimori, M. Tanaka, and H. Tabata
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 205103-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.205103
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of magnetism in Fe-doped magnetic semiconductors: Resonant photoemission and x-ray magnetic circular dichroism studies of (Ga,Fe)As (2022)
  • Author(s): T. Takeda, S. Sakamoto, L. Anh, Y. Takeda, S. Fujimori, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, A. Fujimori, M. Tanaka, and M. Kobayashi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 195155-1~10
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.195155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a versatile micro-focused angle-resolved photoemission spectroscopy system with Kirkpatrick-Baez mirror optics (2022)
  • Author(s): M. Kitamura, S. Souma, A. Honma, D. Wakabayashi, H. Tanaka, A. Toyoshima, K. Amemiya, T. Kawakami, K. Sugawara, K. Nakayama, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, T. Sato, and K. Horiba
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Pages: 033906-1~8
  • DOI: 10.1063/5.0074393
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure and electronic property modification of Ca2RuO4 thin films via fluorine doping (2022)
  • Author(s): S. Fukuma, A. Chikamatsu, T. Katayama, T. Maruyama, K. Yanagisawa, K. Kimoto, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, Y. Hirose, and T. Hasegawa
  • Journal Title: Phys. Rev. Materials Volume: 6 Pages: 035002-1~5
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.035002
  • Peer Reviewed