原子分解能DPC STEMに基づく実空間電荷密度マッピング法の開発と材料界面解析

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01316
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 柴田 直哉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10376501)
• 研究分担者: 石川 亮 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20734156)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 走査型透過電子顕微鏡 / 材料界面 / 電荷密度 / 微分位相コントラスト法

研究実績の概要

本研究では、申請者らが近年開発した原子分解能DPC STEM法をベースとして、材料局所領域の電荷密度分布を原子レベルで実空間マッピングするための新たな電子顕微鏡法を開発する。更に、この手法を無機材料界面構造解析に応用することで、異種結晶間の界面形成メカニズムを原子・電子スケールから本質的に明らかにすることを最終的な目標としている。

本年度は、実際の試料膜厚を想定した動力学的回折効果を加味した原子電場・電荷密度分布の理論計算解析を行い、その効果が像解釈に及ぼす影響の検証を系統的に行った。ここで得られた知見を基に、CTF理論とマルチスライス計算に基づいた反復的計算を行うことにより動力学的回折効果を除去する手法の開発を行った。その結果、10nm程度の試料厚の結晶では動力学回折効果の影響を除去でき、定量的な電場・電荷密度分布解析が可能であることを示した。また、原子分解能DPC STEMからの局所電磁場情報を電荷密度分布に変換するオペレーションソフトを実装し、電荷密度分布のライブイメージングを可能にした。この像観察により、像非点やフォーカスなど光軸条件の更なる精密調整が可能になるという副次的なメリットも生まれた。また、GaN系半導体モデルヘテロ界面において本手法を応用し、界面における電荷移動に伴う電場分布観察に成功した。更に、これまでの研究結果を総括し、原子レベルでの電場分布及び電荷密度分布直接観察手法としてDPC STEM法を確立し、界面解析への有効性を示すことにも成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Monash University(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: Monash University
• [雑誌論文] Grain boundary Li-ion conductivity in (Li0.33La0.56)TiO3 polycrystal (2020)
  • 著者名/発表者名: Shun Sasano, Ryo Ishikawa, Kazuaki Kawahara, Teiichi Kimura, Yumi H. Ikuhara, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 116 ページ: 43901
  • DOI: 10.1063/1.5141396
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Measurement of Electronic Band Structures at Oxide Grain Boundaries. (2020)
  • 著者名/発表者名: Jiake Wei, Takafumi Ogawa, Bin Feng, Tatsuya Yokoi, Ryo Ishikawa, Akihide Kuwabara, Katsuyuki Matsunaga, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • 雑誌名: Nano letters 巻: 20 ページ: 2530-2536
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b05298
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coexistence of two different atomic structures in the Σ13 pyramidal twin boundary in α-Al2O3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoya Shibata
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 127 ページ: 708-714
  • DOI: Rr10.2109/jcersj2.19118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxysulfide photocatalyst for visible-light-driven overall water splitting (2019)
  • 著者名/発表者名: Qian Wang, Mamiko Nakabayashi, Takashi Hisatomi, Song Sun, Seiji Akiyama, Zheng Wang, Zhenhua Pan, Xiong Xiao, Tomoaki Watanabe, Taro Yamada, Naoya Shibata, Tsuyoshi Takata, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 18 ページ: 827-832
  • DOI: 10.1038/s41563-019-0399-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic Scale Origin of Enhanced Ionic Conductivity at Crystal Defects. (2019)
  • 著者名/発表者名: Bin Feng, Ryo Ishikawa, Akihito Kumamoto, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • 雑誌名: Nano letters 巻: 19 ページ: 2162-2186
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient hydrogen evolution on (CuInS2)x(ZnS)1-x solid solution-based photocathodes under simulated sunlight. (2019)
  • 著者名/発表者名: Jiao Zhao, Tsutomu Minegishi, Hiroyuki Kaneko, Guijun Ma, Miao Zhong, Mamiko Nakabayashi, Takashi Hisatomi, Masao Katayama, Naoya Shibata, Taro Yamada, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Chemical communications (Cambridge, England) 巻: 55 ページ: 470-473
  • DOI: 10.1039/c8cc08623k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observation of atomic-scale fracture path within ceramic grain boundary core. (2019)
  • 著者名/発表者名: Shun Kondo, Akihito Ishihara, Eita Tochigi, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 10 ページ: 2112
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10183-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transition-Metal Distribution in Brownmillerite Ca2FeCoO5. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kei Nakayama, Ryo Ishikawa, Akihide Kuwabara, Shunsuke Kobayashi, Teruki Motohashi, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • 雑誌名: Inorganic chemistry 巻: 58 ページ: 10209
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b01356
  • 査読あり
• [雑誌論文] High contrast STEM imaging for light elements by an annular segmented detector. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kousuke Ooe, Takehito Seki, Yuichi Ikuhara, Naoya Shibata
  • 雑誌名: Ultramicroscopy 巻: 202 ページ: 148-155
  • DOI: 10.1016/j.ultramic.2019.04.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Redox-Inactive CO2 Determines Atmospheric Stability of Electrical Properties of ZnO Nanowire Devices through a Room-Temperature Surface Reaction. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Nakamura, Tsunaki Takahashi, Takuro Hosomi, Takehito Seki, Masaki Kanai, Guozhu Zhang, Kazuki Nagashima, Naoya Shibata, Takeshi Yanagida
  • 雑誌名: ACS applied materials & interfaces 巻: 11 ページ: 40260-40266
  • DOI: 10.1021/acsami.9b13231
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic-Resolution Stem Imaging for Beam-Sensitive Li-Ion Battery Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nakayama, R. Ishikawa, S. Kobayashi, N. Shibata, Y. Ikuhara
  • 雑誌名: AMTC Letters 巻: 6 ページ: 18-19
  • DOI: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Upscaling of Temperature-Sensitive Particle Photocatalyst Electrodes: Fully Ambient and Scalable Roll-Press Fabrication of Ta3N5 Photoelectrodes on Metal Substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: Xiong Xiao, Motoki Iwase, Ge Yin, Mamiko Nakabayashi, Tomohiro Higashi, Naoya Shibata, Kazunari Domen, Tomoaki Watanabe
  • 雑誌名: ACS Sustainable Chemistry and Engineering 巻: 7 ページ: 19407-19414
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b03987
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metal selenide photocatalysts for visible-light-driven Z-scheme pure water splitting (2019)
  • 著者名/発表者名: Shanshan Chen, Guijun Ma, Qian Wang, Song Sun, Takashi Hisatomi, Tomohiro Higashi, Zheng Wang, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Zhenhua Pan, Toshio Hayashi, Tsutomu Minegishi, Tsuyoshi Takata, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 7 ページ: 7415-7422
  • DOI: 10.1039/C9TA00768G
  • 査読あり
• [雑誌論文] Defect-Rich NiCeOx Electrocatalyst with Ultrahigh Stability and Low Overpotential for Water Oxidation (2019)
  • 著者名/発表者名: Jun Yu, Qi Cao, Yanbo Li, Xia Long, Shihe Yang, J. Kenji Clark, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Jean Jacques Delaunay
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 9 ページ: 1605-1611
  • DOI: 10.1021/acscatal.9b00191
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effects of annealing barium niobium oxynitride in argon on photoelectrochemical water oxidation activity (2019)
  • 著者名/発表者名: Jeongsuk Seo, Mamiko Nakabayashi, Takashi Hisatomi, Naoya Shibata, Tsutomu Minegishi, Masao Katayama, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 7 ページ: 493-502
  • DOI: 10.1039/c8ta09950b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic resolution electron microscopy in a magnetic field free environment (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata, Y. Kohno, A. Nakamura, S. Morishita, T. Seki, A. Kumamoto, H. Sawada, T. Matsumoto, S. D. Findlay, Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 2308
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10281-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fast Li-ion conduction at grain boundaries in (La,Li)NbO3 polycrystals (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Kawahara, Ryo Ishikawa, Kei Nakayama, Takuma Higashi, Teiichi Kimura, Yumi H. Ikuhara, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 441 ページ: 227187
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.227187
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sunlight-Driven Production of Methylcyclohexane from Water and Toluene Using ZnSe : Cu(In,Ga)Se2-Based Photocathode (2019)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Kageshima, Yosuke Goto, Hiroyuki Kaneko, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Kazunari Domen, Tsutomu Minegishi
  • 雑誌名: ChemCatChem 巻: 11 ページ: 4266-4271
  • DOI: 10.1002/cctc.201900739
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solar-Driven Water Splitting over a BaTaO2N Photoanode Enhanced by Annealing in Argon (2019)
  • 著者名/発表者名: Jeongsuk Seo, Mamiko Nakabayashi, Takashi Hisatomi, Naoya Shibata, Tsutomu Minegishi, Kazunari Domen
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 2 ページ: 5777-5784
  • DOI: 10.1021/acsaem.9b00908
  • 査読あり
• [雑誌論文] One-dimensional Anisotropic Electronic States in Needle-shaped La 5 Ti 2 CuS 5 O 7 Single Crystals Grown in Molten Salt in Bridgman Furnace (2019)
  • 著者名/発表者名: Motoki Iwase, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Hiroyuki Matsuzaki, Hisayoshi Kobayashi, Taro Yamada, Kazunari Domen, Tomoaki Watanabe
  • 雑誌名: Crystal Growth and Design 巻: 19 ページ: 2419-2427
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.9b00091
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coexistence of two different atomic structures in the Σ13 pyramidal twin boundary in α-Al2O3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Saki Ishihara, Eita Tochigi, Ryo Ishikawa, Naoya Shibata, Yuichi Ikuhara
  • 雑誌名: Philosophical Magazine Letters 巻: 99 ページ: 435-443
  • DOI: 10.1080/09500839.2019.1698780
  • 査読あり
• [雑誌論文] 先進原子分解能電子顕微鏡による材料局所構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田直哉
  • 雑誌名: 日本原子力学会誌 巻: 61 ページ: 24-27
  • DOI: 10.3327/jaesjb.61.10_724
  • 査読あり
• [雑誌論文] DPC STEMの原理と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田直哉
  • 雑誌名: 顕微鏡 巻: 54 ページ: 77-84
  • DOI: 10.11410/kenbikyo.54.2_77
  • 査読あり
• [雑誌論文] DPC STEMによる局所電磁場の直接観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田直哉
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 58 ページ: 433ー439
  • DOI: 10.2320/materia.58.433
  • 査読あり
• [雑誌論文] グラフェン欠陥の原子電場構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川亮 柴田直哉 幾原雄一
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 61 ページ: 231-236
  • DOI: 10.5940/jcrsj.61.231
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Anisotropic Atomic Electric Fields of Si Dopants in Monolayer Graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa S.D. Findlay T. Seki G. Sanchez-Santolino Y. Kohno Y. Ikuhara N. Shibata
  • 雑誌名: AMTC Letters 巻: 6 ページ: 22-23
  • DOI: -
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 先進DPC STEM法による材料局所構造解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: ASTEC2020
  • 招待講演
• [学会発表] Atomic-scale chemical analysis at ceramic interfaces by advanced scanning transmission electron microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: MRS spring meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Seeing inside atoms Beyond atomic resolution electron microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: INCP 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced atomic-resolution STEM for real-space electromagnetic field imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: KSM annual meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced DPC STEM for materials research (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: AMTC6
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Towards sub-atomic resolution electron microscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: German-Japan Joint Seminar on Advanced Electron Microscopy and Its Application
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic-field-free atomic resolution STEM (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: NEXTEM, Pre-meeting congress, Microscopy & Microanalysis 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Differential phase contrast scanning transmission electron microscopy at atomic resolution (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced electron microscopy for atomic-scale electromagnetic field imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: ALC 19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of magnetic field free atomic-resolution STEM (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: PACRIM 13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development and application of electromagnetic field imaging STEM (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: PACRIM 13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomic-resolution electromagnetic field imaging by DPC STEM (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: FEMMS2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Advanced atomic resolution STEM for electromagnetic field imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: ICAE 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 最先端STEMによる材料局所構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: 日立金属セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 原子分解能磁場フリー電子顕微鏡（MARS）の開発と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第75回学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 電子顕微鏡の挑戦 －原子分解能の先へ－ (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: 日立ハイテクノロジーズセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] DPC STEM法による材料局所電磁場解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: 日本金属学会2019年秋期大会
  • 招待講演
• [学会発表] 先進原子分解能STEMの開発と材料局所構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: 日本セラミックス協会関西支部第22回若手フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] DPC STEM法の基礎と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: 第12回日本電子TEMユーザーズミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] 原子分解能電磁場計測電子顕微鏡法の開発と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴田 直哉
  • 学会等名: 第61回日本顕微鏡学会九州支部総会・学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 原子分解能電子顕微鏡によるセラミックス材料の構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川 亮
  • 学会等名: 2019年度エンジニアリングセラミックス若手セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] グラフェン欠陥における電場構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石川 亮 Findlay Scott 関 岳人 Sanchez-Santolino Gabriel 河野 祐二 幾原 雄一 柴田 直哉
  • 学会等名: 日本金属学会165回講演大会
• [学会発表] Anisotropic Atomic Electric Fields of Si Dopants in Monolayer Graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa S.D. Findlay T. Seki G. Sanchez-Santolino Y. Kohno Y. Ikuhara N. Shibata
  • 学会等名: AMTC6
  • 国際学会
• [学会発表] Direct Electric field imaging of atomistic defects in graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa S.D. Findlay T. Seki G. Sanchez-Santolino Y. Kohno Y. Ikuhara N. Shibata
  • 学会等名: FEMMS2019
  • 国際学会
• [備考] 電子顕微鏡材料学研究室
  • URL: http://www.saaf.t.u-tokyo.ac.jp/