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2020 年度 実績報告書

その場変形転位トモグラフィーシステムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H02426
研究機関九州大学

研究代表者

波多 聡  九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (60264107)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード電子線トモグラフィー / その場観察 / 転位 / 深層学習 / 画像処理 / 高速撮影 / STEM / 三次元観察
研究実績の概要

結晶欠陥である転位の動的三次元観察を透過型電子顕微鏡法により可能にするための技術開発と、その応用を目的としている。今年度は、その場観察に耐え得る三次元画像1フレームあたりのデータ取得時間を、既存の共用電子顕微鏡で可能な最短時間にし、画像処理などソフト的な技術援用により転位の高速三次元観察の実現を目指した。
観察対象はオーステナイト鋼中の転位組織とした。 ゴニオメータの高速回転により試料を+70度から-70度まで約 5 秒間で連続傾斜させ、その間に 512 x 512 pixel のSTEM明視野像を30 ms/frameの撮像速度で約70枚連続収録した。電子プローブ走査速度の高速化に伴 い、STEM 像のひずみ、彗星状の擬像、シグナル/ノイズ比の低下が顕著になった。3D 再構成画像に影響を 及ぼすこうしたアーティファクトは、一部に深層学習を活用した画像処理を組み合わせることで効果的に低 減できた。深層学習による擬像・ノイズ除去フィルターの構築に必要な欠陥画像と教師画像のデータセット には、同様の高速 STEM 撮像を視野および試料傾斜角度を変えながら繰り返し行って得たものが有効である ことを確認した。さらに STEM 連続傾斜像における二点間の距離から、各連続傾斜像についてゴニオメータ 高速連続回転時の試料傾斜角度を校正した。以上の要素技術開発を経て得た 5 秒収録 STEM 連続傾斜像デー タと、通常の方法により数十分かけて収録した STEM 連続傾斜像データから 3D 画像再構成を行い比較する ことで、本高速 STEM 連続傾斜像収録技術の有効性と課題を評価した。

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

セメンタイトを一部球状化させた芯線パーライト鋼で、セメンタイト粒子をバイパスしようとする転位の三次元ダイナミクスをその場TEMトモグラフィーにより撮影することに成功し、論文発表することができた。また、高速STEM転位トモグラフィーの手法開発も順調に進んだ。一方、他の材料や観察対象への応用は遅れており、これは学外のグループと予定していた共同研究がほぼ進まなかったことが一因である。

今後の研究の推進方策

STEMによるその場転位トモグラフィー観察に挑戦し、手法の確立を目指す。また、昨年実施できなかった学外のグループとの転位トモグラフィー観察に関する共同研究に着手する。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Virginia Tech(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Virginia Tech
  • [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] Electron tomography: An imaging method for materials deformation dynamics2020

    • 著者名/発表者名
      Hata S.、Honda T.、Saito H.、Mitsuhara M.、Petersen T.C.、Murayama M.
    • 雑誌名

      Current Opinion in Solid State and Materials Science

      巻: 24 ページ: 100850~100850

    • DOI

      10.1016/j.cossms.2020.100850

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Electron tomography imaging methods with diffraction contrast for materials research2020

    • 著者名/発表者名
      Hata Satoshi、Furukawa Hiromitsu、Gondo Takashi、Hirakami Daisuke、Horii Noritaka、Ikeda Ken-Ichi、Kawamoto Katsumi、Kimura Kosuke、Matsumura Syo、Mitsuhara Masatoshi、Miyazaki Hiroya、Miyazaki Shinsuke、Murayama Mitsu Mitsuhiro、Nakashima Hideharu、Saito Hikaru、Sakamoto Masashi、Yamasaki Shigeto
    • 雑誌名

      Microscopy

      巻: 69 ページ: 141~155

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfaa002

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 透過型電子顕微鏡法による結晶材料3次元組織の再構築に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      波多聰
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第76回学術講演会(紙上開催)
    • 招待講演
  • [学会発表] 3D and 4D reconstruction of dislocations in electron microscopy2020

    • 著者名/発表者名
      S. Hata, H. Saito, M. Murayama
    • 学会等名
      The 4th Forum of Materials Genome Engineering (4th ForMGE)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] STEMトモグラフィーによる転位の高速三次元観察2020

    • 著者名/発表者名
      趙一方、鯉池卓、仲間陸人、光原昌寿、斉藤光、村山光宏、波多聰
    • 学会等名
      第62回日本顕微鏡学会九州支部集会・学術講演会
  • [学会発表] 高速STEMトモグラフィーの実現に向けた深層学習を用いたノイズ除去2020

    • 著者名/発表者名
      鯉池卓、斉藤光、趙一方、光原昌寿、村山光宏、波多聰
    • 学会等名
      第62回日本顕微鏡学会九州支部集会・学術講演会
  • [学会発表] In-situ 3D imaging in transmission electron microscopy: recent developments and applications to material deformation2020

    • 著者名/発表者名
      S. Hata, H. Saito, M. Murayama
    • 学会等名
      Structural Materials for Nuclear and Space Applications (SNSA20)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 結晶欠陥の電子顕微鏡3次元再構築2020

    • 著者名/発表者名
      波多聰
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第181回春季講演大会
    • 招待講演
  • [備考] http://www.asem.kyushu-u.ac.jp/qq/qq01/top-j.html

  • [備考] http://www.asem.kyushu-u.ac.jp/qq/qq01/top-e.html

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公開日: 2021-12-27  

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