| Project Area | New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores |
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| Project/Area Number |
19H05788
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柴田 直哉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10376501)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 剛久 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20220478)
石川 亮 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20734156)
馮 斌 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20811889)
栃木 栄太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50709483)
関 岳人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90848558)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥210,210,000 (Direct Cost: ¥161,700,000、Indirect Cost: ¥48,510,000)
Fiscal Year 2021: ¥43,810,000 (Direct Cost: ¥33,700,000、Indirect Cost: ¥10,110,000)
Fiscal Year 2020: ¥57,330,000 (Direct Cost: ¥44,100,000、Indirect Cost: ¥13,230,000)
Fiscal Year 2019: ¥38,870,000 (Direct Cost: ¥29,900,000、Indirect Cost: ¥8,970,000)
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| Keywords | 原子分解能局所電磁場観察 / 機能コア電磁場 / 機能コア3次元原子構造 / 機能コア電子状態 / 機能コアその場観察 / 機能コア３次元原子構造 |
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| Outline of Research at the Start |
先進材料の諸特性は、材料内部に形成される種々の欠陥における量子場、すなわち「機能コア」に起因している。本研究では最先端の超高分解能電子顕微鏡を更に進化させ、局所量子場の直接観察手法を確立し、機能コアにおける構造と量子場の同時直接観察を目指す。これらの技術を様々な機能コアに応用し、本領域の理論解析班およびプロセス制御班と密接に連携する事で、機能コアにおける材料特性発現メカニズムの本質的解明と機能コアに基づく材料創製指針の構築を目指す。これらの研究を通じて機能コアに基づく新たな材料科学の学理構築を最終的な目標とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では, 最先端の原子分解能走査透過型電子顕微鏡法(STEM)を更に進化させ, 機能コアにおける局所原子構造のみならず, その局所構造により形成される局所電磁場を定量的に計測する手法を確立し, 機能コアの特性発現メカニズムを根本的に解明することを目的とする。本年度の主な研究成果を以下に列挙する。
①機能コア局所電磁場の直接定量計測手法の開発： 微分位相コントラスト(DPC)-STEMによる機能コア局所電磁場超高分解観察において, 局所的に乱れた原子構造由来の回折コントラストが電磁場信号と重畳する問題を解決するため, 回折コントラストの低減手法の開発を試みた. GaN/AlGaNヘテロ界面及びネオジウム磁石多結晶体を対象に, 従来のedge-on観察条件から試料と電子線入射方位をわずかに傾斜させた像を複数枚取得し, その平均像を形成した. その結果, ヘテロ界面近傍や結晶粒内の回折コントラストが大幅に減少することが明らかとなった. つまりDPC-STEM法を用いて機能コアの局所電磁場観察を行う際には, 的確に試料傾斜平均を行うことにより電磁場信号の抽出が可能であることが示された.
②原子スケール機能コア電子状態計測手法の開発：アルミナモデル粒界機能コアにおいて原子構造とバンド構造のSTEM-EELS分析を行った. 原子分解能STEM－EELSを低エネルギー損失領域において計測条件を最適化し, 粒界バンドギャップの直接定量計測に成功した. その結果, 粒界バンドギャップは粒界原子構造に強く依存し, その大小は粒界におけるアルミニウムイオンと酸素イオンの配位数に依存することが明らかとなった. これらの実験結果は理論計算の予測とも良い一致を示した. 本成果は粒界機能コアバンドギャップの粒界原子構造依存性を初めて実証した成果であり, 学術的に極めて重要であると考えられる.
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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
初年度の研究計画は①原子分解能機能コア局所電磁場観察法の開発②原子分解能３次元機能コア構造・組成計測手法の開発③原子スケール機能コア電子状態計測手法の開発④機能コアその場観察・物性計測手法の開発である。これらの研究項目は計画通りに進展しており, 全ての項目において一定の成果が得られている. また, 次年度の各種計画実験も予定通りに実行できる見込みである. 特に③に関しては, 国際学術論文も発表されており, 計画以上に進んでいる.
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は以下の研究項目を重点に進行する予定である.
①原子分解能機能コア局所電磁場観察法の開発：初年度で得られた知見に基づいて, 機能コアにおける回折コントラストの更なる低減を目指す. 具体的には電子線プローブを多様な角度にて傾斜させながら結像し, これらの傾斜条件で検出した一連の像を平均化することにより回折コントラストの更なる低減を目指す.
②原子分解能３次元機能コア構造・組成計測手法の開発：電子プローブを大収束角度化することで, 深さ分解能を向上させ, 深さセクショニング法を用いて表面機能コアの３次元原子構造可視化を試みる. 粒界機能コアに対して観察方位を増やし,３次元構造の再構築及び検証を引き続き試みる.
③原子スケール機能コア電子状態計測手法の開発：次年度は引き続き原子分解能STEM－EELS法を用いて, 低エネルギー損失領域におけるプラズモンやフォノン状態の計測を試み, 界面機能コアの量子場計測手法を開発する. 同時に, ドーパントを添加した粒界機能コアのバンド構造計測を行い, ドーパント添加効果の根本メカニズムを解明する.
④機能コアその場観察・物性計測手法の開発：引き続き応力, 電場, 電子線照射など外場を機能コアに印可し, 機能コアの応答を直接観察する. 特に粒界機能コアの移動や転位機能コアのすべり・上昇運動に着目し, これらの機能コアダイナミクスの解明を目指す.
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