| 研究課題/領域番号 |
18H01830
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
松村 晶 九州大学, 工学研究院, 教授 (60150520)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 高分解能電子顕微鏡 / 原子変位 / ナノ粒子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、様々な光学機能素子としての応用が期待されている金ナノロッドの原子構造の形状依存性ならびにパルスレーザー光の照射によって励起される変形を伴う原子再配列挙動を最先端の走査透過電子顕微鏡(STEM)法を駆使して明らかにすることを目的としている。
昨年度に引き続いて、現有の収差補正高分解能電子顕微鏡により、加速電圧を120 kVとしてアスペクト比（=ロッドの長さ/ロッドの直径）が1.0, 2.1, 3.6の３種類の単結晶金ナノロッド（長軸が [001]方向）について [110]方向からHAADF-STEM原子分解能像観察を行った。得られたHAADF像中の各原子カラムの像強度に対して、隣接ピークの裾の重なりを考慮した上で二次元ガウス関数をフィッティングすることにより画像のピクセルサイズ未満のサブピクセル精度でもって原子コラム位置を決定した。さらに画像に含まれるノイズ成分を除去したのちにロッド内部の局所歪みを場所の関数として求めたところ、アスペクト比が１より大きなロッド状では、ロッド先端部に長軸方向への膨張歪みが局所的に発生していることが明らかになった。
実際に近い円柱のロッドに半球形の先端部を有する形状と回転楕円体形状の金ナノ粒子モデル系について、経験的原子間ポテンシャルを用いた分子動力学（MD）計算を行って局所歪みの発生状況を求めたところ、アスペクト比が１の場合と回転楕円体では全域で収縮歪みが発生するのに対して、実在形状のロッドでは先端部位に長軸方向への膨張歪みが局所的に発生しており、実験との良い対応が得られた。粒子表面の曲率とその変化が内部歪みに大きく影響していることが示唆された。
さらに、同じナノロッドに着目して近赤外パルスレーザー光照射前後の原子構造変化について解析を行う実験手法を確立して、解析に着手した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
上記のように、本年度も昨年度に続いて金ナノロッドの高分解能電子顕微鏡（HAADF-STEM原子分解能像）観察による原子変位と局所歪みの解析を中心に進めて、十全の成果を得るに至った。観察においては、加速電圧は120 kVとして、表面スパタリング等による観察中の状態変化を抑えるとともに、電子プローブの早い走査による短時間で得る同一視野の複数のHAADF像を重ねることで試料ドリフトの影響を抑えることで、ピコメートルオーダーの位置決定精度を得ることができた。これは原子間距離の1 %程度に相当するものであり、世界的にも最高水準の精度に達している。
さらに、近赤外パルスレーザー光照射による原子構造変化を明らかにするために、同じナノロッドについて照射前後の原子配列を解析するための実験手法を確立して研究を進めている。レーザー照射装置が高分解能電子顕微鏡と離れているために、観察試料をその間で行き来させねばならないが、試料位置とゴニオメータの試料傾斜角度を精緻にコントロールすることで、同一ナノロッドに関する構造変化の追跡を可能にした。そのことで、おそらく世界で初めてレーザー光照射に伴うナノロッドの外形と内部の原子配列の変化に関する詳細な知見が得られると期待している。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに引き続き、様々な形態の金ナノロッドについて同様の解析を進めることで、金属ナノ粒子の局所原子変位と局所格子歪みの支配因子を明らかにする。その成果は、様々な金属ナノ粒子の形態と表面や内部構造や原子変位との一般的な関係を導くものであり、基礎物性として重要な知見となることが期待される。このような基礎的知見は、例えばナノ粒子の触媒活性を高める研究への直接的な応用され得る。
さらに、近赤外パルスレーザー光照射前後でのナノロッドの原子構造変化についても、原子分解能HAADF-STEM法で解析することにより、照射励起によって引き起こされる原子の挙動を解明する。ここでは、同一のナノロッドに着目してレーザー光照射前後の形状と内部の原子配列の変化を明らかにする。原子レベルの構造について、準その場観察的に実験解析をした研究例はこれまでになく、レーザー光照射による原子構造変化挙動に関する詳細な知見が得られると期待している。
ナノ粒子の原子構造と形態の関係についての理解は、金ナノロッドに限らず広く金属ナノ粒子に共通するものであり、金属ナノ粒子全般の物性とその応用に関する研究に波及してその発展への貢献が期待できる。
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