2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of dopant environment analysis method using beam-rocking transmission electron microscopy
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20K05088
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大塚 真弘 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 講師 (60646529)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 電子顕微鏡 / 蛍光X線分析 / 電子チャネリング効果 / ALCHEMI法 / セラミックス / ドーパント / 酸素空孔 / 占有サイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，透過電子顕微鏡(TEM)における電子ビームのロッキング下で得る分光スペクトルや像のハイパースペクトルデータから機能材料中の微量ドーパント周辺の局所原子配列や化学状態の変調を堅牢に定量解析する方法を開発し，ナノメートルオーダーの格子欠陥近傍に至るまでのドーパントの振る舞いを明らかにすることである．
2020年度は，Y2Ti2O7やBaTiO3などの酸化物セラミックス中に微量添加されたドーパントの占有サイトやその周辺環境の分析を行った．ビームロッキング下で得た蛍光X線スペクトルデータセットから抽出したX線イオン化チャネリング図形の統計的データ解析や動力学的弾性／非弾性散乱理論に基づく理論計算(動力学計算)との精密な比較検討を行った結果，ドーパント自身がどのホスト元素を置換しているかという意味でのサイト占有率だけでなく，その周囲に僅かに存在する酸素空孔や，ホスト原子位置からどれだけ変位しているか等の詳細な局所構造情報がこの手法で評価し得ることが明らかとなった．
また，基礎的な検討段階であるが，動力学計算を用いた精密な定量解析の精度を向上させるため，電子散乱過程を計算する際に利用する結晶のクーロンポテンシャルに各原子のイオン性や(第一原理計算から求めた電荷密度分布に基づく)化学結合効果を取り入れられるように自作の計算コードを拡張した．これにより現在一部の系において実験結果の再現性が悪く詳細な検討ができていない問題などが解決されるものと期待される．
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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
当初計画では2020年度は，既に開発を進めていた局所領域を狙った電子ビームのロッキングを行う計測システムの改善や機能材料中のドーパント周辺環境を可視化するデータ解析アルゴリズムの開発などの基礎的な環境整備に主に取り組む予定であったが，計画の順序を変更して研究計画後半に実施予定であった実用酸化物セラミックスの分析を行った．その結果，現段階の解析方法では予備的結果ではあるが，本研究の最終目的であるドーパント周辺の局所構造情報を可視化することが可能であることがわかった．当初計画で目指していたより堅牢な解析アルゴリズムの開発などを引き続き進める予定であるが，そのための土台の一つである理論計算コードの高精度化は2020年度に実施完了している．従って，いくつかの計画順序の変更はあるが，最終目的に向けて順調に推移していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は，当初計画から一部後ろ倒しした計測システムの高精度化や堅牢なデータ解析アルゴリズムの構築から進める予定である．特に後者のデータ解析アルゴリズムの開発に注力し，大型放射光施設によって実施される他のドーパント周辺環境分析手法に匹敵する情報を電子顕微鏡というラボレベルの実験装置を用いた計測からでも堅牢に取り出すことができるのか否かを見極めたい．また，2020年度は蛍光X線スペクトルを用いた結果のみを解析していたが，電子エネルギー損失分光スペクトルや電子回折像を同時取得しこれを紐づけたデータ解析を行うことで新たな知見を得る方法を構築することも目指したい．
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| Causes of Carryover |
当初予定では，電子顕微鏡中で電子ビームの偏向制御を高精度化するためにこれらを詳細にコントロール可能なプラグインを2020年度当初に導入する予定であったが，計画順序の一部の変更によりこれが次年度以降へと遅れることとなった．また，コロナ禍の影響のため，いくつか予定していた学会発表のための旅費が不要となったため，繰り越し金が生じている．前者については単純に時期を後ろ倒しした執行をさせて頂きたいが，後者による余剰分については2021年度に導入を計画しているデータ解析のための計算機のスペックアップなどに充当させて頂きたい．
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