2021 Fiscal Year Annual Research Report
Observation of irreversible structural dynamics with relativistic femtosecond electron pulses
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21H04654
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
楊 金峰 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (90362631)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
成瀬 延康 滋賀医科大学, 医学部, 准教授 (30350408)
中村 芳明 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60345105)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 時間分解電子回折 / フェムト秒電子線パルス / 構造相転移 / 不可逆の構造変化 / 薄膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1）相対論的フェムト秒電子線パルスを用いたシングルショット結晶構造解析法の確立
・カソードに照射するレーザービーム径と電子ビーム初期エミッタンスの依存性を明らかにし、エネルギーが2MeV、パルス幅が55fsの高輝度電子線パルスの発生に成功した。発生したフェムト秒電子線パルスを用いて、フェムト秒時間分解電子回折図形の測定システムと解析ソフトウェアを開発し、単結晶Si、多結晶AlやGeアモルファス等の物質のシングルショット電子回折の測定に成功した。この成果により、「2nd International Forum on Microscopy」国際会議にkeynote talkとして招かれた。
2）酸化物などの薄膜における構造相転移の観測と構造ダイナミクスの解明
・構造相転移過程における相の変化過程・原子挙動を明らかにするため、PLD法によって様々な基板（サファイア基板、Si基板）上に、様々なバッファ層を用意したうえでVO2の薄膜形成を行い、金属-絶縁体相転移に起こすVO2薄膜の成膜手法を確立した。その薄膜の構造相転移は電気特性の温度依存性を評価することで確認した。
・これらのVO2薄膜に対して熱励起と光励起の構造相転移過程のその場観察をナノスケールで行う手法を開発した。熱励起の構造相転移過程の観察では、高分解能電子顕微鏡の位相幾何解析により、各温度での歪み量を定量的に評価した。323Kでは、T相の面間隔に相当する新たなBraggスポットが現れ、これは(100)方向に並ぶV原子が-0.6%から+0.4%までの引っ張り歪みが存在し、それによって構造相が変化したことが分かった。光励起の構造相転移過程の観察では、エネルギーが2MeVの相対論的フェムト電子線パルスによるシングルショット電子回折の測定に成功し、光励起後の電子回折強度の時系列変化測定法を確立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
新たに1.4セルの高周波電子銃を設計し、パルス幅が20fs以下、パルス当たりの電子数が10の6乗個の極短パルス電子ビームの発生方法を確立し、相対論的フェムト秒電子線パルスの高輝度化につながった。
また、従来の1.6セル高周波電子銃に比べ、新しい高周波電子銃では電子線パルスの加速位相が20°から60°にシフトし、カソードでの実効的な加速電界が高く、低電力の高周波でも相対論的なエネルギーまで加速できることが分かった。今後、高繰返しの高周波源を導入し、実現すれば、世界初の1kHzで運転可能な常伝導高周波電子銃の誕生となり、相対論的フェムト秒電子線パルスを用いた超高速電子顕微鏡の開発にも期待できる。
この成果は、「加速器, 18, 81-88(2021)」と「Nucl. Instrum. Methods A, 1031, 166602(2022)」の雑誌で論文発表された。
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| Strategy for Future Research Activity |
1）電子のエネルギー、パルス強度等の高安定化を行う。エネルギー安定度が10の-5乗、ビーム強度の変動が1%以下のフェムト秒電子線パルスを安定に発生させる。
2）加熱や電場印加が可能な試料ホルダーを改良・製作する。光励起の構造相転移過程の測定だけではなく、時間分解電子回折による熱励起や電場励起の構造相転移過程の観察法を確立する。
3）時間分解電子回折測定法を用いて、VO2薄膜における熱、光又は電場励起の金属-絶縁体構造相転移過程をフェムト秒・ピコ秒の時間分解能で追跡する。熱、電場、光励起の構造相転移ダイナミクスの相違性を実験的に解明する。これにより、構造相転移ダイナミクスの本質的理解を目指す。
4）Al2O3やSnO2等の他の酸化物も着目し、結晶-アモルファス相転移現象の観察を行い、不可逆構造変化過程の解明を試みる。
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