2023 Fiscal Year Annual Research Report
実測データを用いたドープ原子ホログラムの原子像再生理論の研究
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20H01841
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
松下 智裕 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (10373523)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 光電子ホログラフィ / 原子分解能ホログラフィ / 原子像再構成理論 / 層状半導体 / インターカレーション / ドーパント / 元素別局所構造解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
物質中のドーパント(不純物)の原子配列を立体的に測定する方法として、光電子ホログラフィーの研究を進めている。ドーパントの立体原子配列の測定は既存技術では難しいため、この研究の進展により物性物理学に新たな分野が切り開かれると考えられている。測定方法は、サンプルに軟X線を照射し、ドーパントから放出された内殻光電子の放出角度分布を測定することである。これがドーパントの周囲の原子配列を記録した光電子ホログラムとなる。ホログラムであるため、基本的には初期情報を必要とせず立体原子配列を再構成できるが、実測データへの適用には様々な困難が伴う。本研究の主目的は、立体原子配列を再構成するためのデータ処理とアルゴリズムの開発である。そのために、様々な物質の光電子ホログラムを実測している。まずインターカレーションした層状半導体のグラファイト、MoS2、Bi2212などについて光電子ホログラムの測定を行っている。加えて共同研究者と共に、ダイヤモンド、GaN、SiC、ペロブスカイトなどのドーパントの光電子ホログラム、ダイヤモンドやGaN上の絶縁膜界面の光電子ホログラムの測定を行っている。このように多様なサンプルに対する実測データを用いることが、実測データを処理するプログラムの開発には重要である。この多様なデータを利用して汎用的に適用できる理論の開発を進めている。実データにホログラム再生計算を適用するには、バックグラウンド処理などの多くの事前処理計算が必要であり、このデータ処理法の開発を進めている。また、複数の原子像再生法の研究を進めており、SPEA-L1の高度化を進めると共に、ニューラルネットワーク、リバースモンテカルロ法や遺伝的アルゴリズムなども試し、それぞれの計算法の有効性の検討を行っている。これらの成果は日本物理学会や放射光学会で報告した。
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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
新しい立体原子像再構成理論の確立に向けて、その基礎データとなる多くの光電子ホログラムの測定を進めた。連携する研究者と共にSPring-8に課題を申請し、光電子ホログラフィー関連で14件の課題が採択され、研究を遂行した。測定装置は研究代表者が発明した阻止電場型電子エネルギー分析器である。まず、従来の原子像再構成理論SPEA-L1の問題点であった、強度の弱い原子像が再生されない点について改良を行った。計算の途中にガウスニュートン法を挿入することで、原子像が改善されることがわかり、学会で報告した。ニューラルネットワークやリバースモンテカルロ法についても研究し、その有効性を学会で報告した。また、光電子運動エネルギーを操作しながら測定した多重エネルギーのホログラムに対して、情報理論で用いられる主成分分析を用すると精度良く情報が引き出せることが判明し、これも学会で報告している。これらの開発した理論を応用して、グラファイト、MoS2、Bi2212にアルカリ金属を蒸着してインターカレーションした原子配列や、ペロブスカイト、半導体など多くの物質について学会で報告した。開発したデータ処理手法は申請者が開発しているソフトウェアプラットフォーム3D-AIR-IMAGEに実装を進め、インターネット上に公開した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は多くの光電子ホログラムのデータセットを計測することに成功した。さらなるデータ取得に向けて、2024年のSPring-8のビームタイム申請を進めている。得られた多様な光電子ホログラムデータに対して、有効な実測データ処理技術の確立と立体原子配列の再生アルゴリズムを深化させていく。具体的には、原子サイト毎の光電子ホログラムを高精度で分離するための主成分分析によるアルゴリズムの確立、原子像再構成のためのSPEA-L1の高速化と精緻化、ニューラルネットワークによる原子像再生理論の開発、事前情報を用いて高精度に原子配列を再構成するリバースモンテカルロ法の開発などである。これらを元に、層状半導体のインターカレーションや様々な物質のドーパントなどの研究を進め、論文化を行う予定である。
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[Presentation] 光電子ホログラフィーによるSi終端ダイヤモンド表面の原子構造解析2024
Author(s)
山田翔梧, 橋本由介, 盛喜琢也, 多田村充, 孫澤旭, 富田広人, 成田憲人, 山本稜将, 河合空, 藤嶌辰也, 太田康介, 川原田洋, 藤井茉美, 松下智裕
Organizer
日本物理学会2024年春季大会
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[Presentation] 光電子ホログラフィーによる窒素ドープSiCのドーパント構造解析2024
Author(s)
山本 裕太, 橋本 由介, 木村 耕治, 川村 聡太, 富田 広人, 孫 澤旭, 多田村 充, 盛喜 琢也, 岩田 康弘, Wellmann Peter, 松下 智裕, 林 好一
Organizer
第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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[Presentation] 光電子ホログラフィーによるSiC中の窒素ドーパント局所構造の解明2023
Author(s)
山本裕太, 橋本由介, 川村聡太, 富田広人, 孫澤旭, 多田村充, 盛喜琢也, 岩田康弘, 木村耕治, 松下智裕, 林好一, Peter Wellmann
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] WドープVO2の光電子ホログラフィー2023
Author(s)
横谷尚睦, 橋本由介, 大岸勇太, 清野雄大, 齋藤竜聖, 東川知樹, 中村匠汰, 富田広人, 多田村充, 盛喜琢也, 松下智裕, 山神光平, 脇田高徳, 村岡祐治
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] 組成傾斜膜ホイスラー合金Co2MnGaxGe1-xの光電子ホログラムからのモンテカルロ法による原子配列の推定2023
Author(s)
盛喜琢也, 橋本由介, 猿山直明, Alexandre Foggiatto, 笠松大起, 杉田涼介, 村山和恭, 川村聡太, 富田広人, 孫澤旭, 山崎貴大, Varun Kumar Kushwaha, 遠山諒, 桜庭裕弥, 小嗣真人, 松下智裕
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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