| 研究課題/領域番号 |
19J23138
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
大江 耕介 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| キーワード | 走査透過型電子顕微鏡 / 電子線敏感材料 / リチウムイオン電池 |
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| 研究実績の概要 |
リチウムイオン電池は高容量かつ軽量な蓄電池として幅広く用いられており、充放電特性をはじめとする電池性能を向上させることは極めて重要である。そしてリチウムイオン電池は正極材料中に含まれるリチウムイオンの脱離挿入という原子スケールの現象によって充放電を行うため、充放電に伴うリチウムイオンの振る舞いを理解することは、材料の劣化現象などを解明する上で非常に大きな意味を持つ。こうした材料中の原子構造を直接観察する手法として、サブオングストロームの空間分解能を有する走査透過型電子顕微鏡（STEM）は強力な手法として用いられている。しかし、リチウムは極めて軽い元素であるためSTEM観察において得られるシグナルが非常に弱く、またリチウム電池材料が電子線照射に弱いため、リチウム原子の挙動を直接観察することは困難とされてきた。そこで申請者はリチウムのような超軽元素を高感度に直接観察可能な新規STEMイメージング手法を開発し、リチウムイオン電池材料をはじめとする電子線に弱い材料の原子分解能観察を可能にするとともに、原子スケールでの材料特性発現メカニズムの解明を目標としている。
本年度は、新世代STEM検出器である分割型STEM検出器を利用した超高感度イメージング手法の開発に取り組んだ。電子顕微鏡光学理論を通して、分割型検出器から同時取得されるSTEM像を組み合わせる際に最適な組み合わせを導出し、観測ノイズに対するシグナル比が最大化されるようなSTEM像再構成法の開発に成功した。この手法はSTEM像シミュレーションならびにリチウムイオン電池材料での観察実験において実証され、材料中のリチウム原子を従来手法と比較して大幅に高い感度で観察可能であることが示された。
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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
本年度は、電子顕微鏡結像理論に基づいた超高感度STEMイメージング手法の理論的な開発と、その実験的な検証を中心に行った。この開発手法は従来の軽元素結像手法と比較して大幅に感度を向上させた条件での観察が可能となることがSTEM像シミュレーションによって示され、また実際にリチウムイオン電池材料として用いられる材料においてリチウム原子の直接観察に成功した。また、この開発手法を応用する材料の検討ならびに予備観察も進めており、進捗状況としてはおおむね順調に進展しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、開発したSTEMイメージング手法の実験的な実用性をさらに向上させるためのソフトウェア開発を進めていくとともに、従来では電子線照射ダメージが深刻で原子構造の観察が困難であった材料への応用を展開してゆく。得られた知見に関しては論文や学会発表などの外部報告を積極的に行う予定である。
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