ソフトマテリアル解析を可能とする電子計数型透過電子顕微鏡法の要素技術開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02624
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 木本 浩司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 副拠点長 (90354399)
• 研究分担者: 吉川 純 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 主任研究員 (20435754) ; Cretu Ovidiu 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 研究員 (60770112)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 透過電子顕微鏡法 / ソフトマテリアル / 材料評価

研究実績の概要

物質・材料の微細構造評価は、研究開発の基盤であり、さまざまな計測手法の中でも透過電子顕微鏡法(Transmission Electron Microscopy, TEM)は広範な材料に利用されている。しかしリチウム蓄電池材料など軽元素を含む材料群や、原子レベルで制御されたナノ材料などのいわゆるソフトマテリアルでは、電子顕微鏡観察中の試料損傷が著しく、TEMの適用が大幅に制限されている。それらのいわゆるソフトマテリアルの材料解析を可能とする電子顕微鏡の要素技術の開発が、現在求められていると言える。
本研究では、原子レベルでソフトマテリアルの構造解析を可能とするため、電子計数型電子顕微鏡法のための要素技術開発と、各種材料展開を行う。試料に照射した電子を数え落とすこと無く検出し、さらにその電子を一つ一つ数えることができれば、計測感度を限界まで高められ、特異な物性や高機能を生みだす微細構造を明らかにすることが可能となり、材料イノベーションに寄与することができる。
2021年度は、既設の３つのシンチレーター式検出器について、それぞれの単電子の発光効率、およびその加速電圧依存性を定量計測し、一部をスクリプト(組み込みソフトウエア)化してきた。計測結果の一部は書籍(「物質・材料研究のための透過電子顕微鏡」(講談社), 2020年7月31日出版)に付録として示すとともに、開発した計測技術をBNナノシート欠陥に展開した論文を発表した（O. Cretu, K. Kimoto et al., ACS Nano, 15(2021) 5316）。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究で目的としている電子数計数の基本検討は予定通り進んだ。特に既設の検出器システムの評価については、解析結果の一部をソフトウエアとして２台の装置に組み込み、共同研究者が使えるようにできたので、研究基盤の強化にもつながっている。
開発した技術を利用して得られた結果の一部は論文(Cretu et al. ACS Nano, 2021)として発表できた。加えて、執筆した専門書(「物質・材料研究のための透過電子顕微鏡(講談社),2020年7月31日出版」)に、解析結果を掲載(「2.8 検出器」pp51-55や、「付録2.3」p65)しており、当初の計画以上に進展していると考える。

今後の研究の推進方策

電子数係数と加速電圧・露光時間から自動的に電流を実時間で計測するため、ソフトウエア上でのメタデータ(加速電圧・露光時間)取得と実時間表示ソフトウエアの開発を行い、計測データツール化する。
これまで電子エネルギー損失分光法に組み合わされる検出器は、装置側の制限で高角側の検出角が小さかった。実際には試料から200mrad程度まで散乱された電子が原理的には検出可能である (S. Yamashita, K. Kimoto et al. Microscopy 64 (2015) 143 )。EELS検出器の上側に新たに広角まで検出できる検出器を設置することにより、それらの広角散乱電子を検出するようにし、ソフトマテリアルからの信号をもれなく検出する。
ソフトマテリアルとして近年計測ニーズが高まっているエネルギー関連材料（特に蓄電池関連）のEELSの標準スペクトル計測なども試験的に行う。将来的にデータベース化を目指していることから、そのメタデータ(一部は論文として報告M. Suzuki, K. Kimoto et al., JVST A 38(2020) 023204)の調査を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Atomic-Scale Electrical Field Mapping of Hexagonal Boron Nitride Defects (2021)
  • 著者名/発表者名: Cretu Ovidiu、Ishizuka Akimitsu、Yanagisawa Keiichi、Ishizuka Kazuo、Kimoto Koji
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 15 ページ: 5316～5321
  • DOI: 10.1021/acsnano.0c10849
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strain-induced creation and switching of anion vacancy layers in perovskite oxynitrides (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto T.,Chikamatsu A.,Kitagawa S.,Izumo N.,Yamashita S.,Takatsu H.,Ochi M.,Maruyama T.,Namba M.,Sun W.,Nakashima T.,Takeiri F.,Fujii K.,Yashima M.,Sugisawa Y.,Sano M.,Hirose Y.,Sekiba D.,Brown Craig M.,Honda T.,Ikeda K.,Otomo T.,Kuroki K.,Ishida K.,Mori T.,Kimoto K.,Hasegawa T.,Kageyama H.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 5923
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19217-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of Three-Layer Perovskite Oxynitride K2Ca2Ta3O9N・2H2O and Photocatalytic Activity for H2 Evolution under Visible Light (2020)
  • 著者名/発表者名: Tang Ya、Kato Kosaku、Oshima Takayoshi、Mogi Hiroto、Miyoshi Akinobu、Fujii Kotaro、Yanagisawa Kei-ichi、Kimoto Koji、Yamakata Akira、Yashima Masatomo、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 ページ: 11122～11128
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c01607
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two‐Dimensional Perovskite Oxynitride K2LaTa2O6N with an H+/K+ Exchangeability in Aqueous Solution Forming a Stable Photocatalyst for Visible‐Light H2 Evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Oshima Takayoshi、Ichibha Tom、Oqmhula Kenji、Hibino Keisuke、Mogi Hiroto、Yamashita Shunsuke、Fujii Kotaro、Miseki Yugo、Hongo Kenta、Lu Daling、Maezono Ryo、Sayama Kazuhiro、Yashima Masatomo、Kimoto Koji、Kato Hideki、Kakihana Masato、Kageyama Hiroshi、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 59 ページ: 9736～9743
  • DOI: 10.1002/anie.202002534
  • 査読あり
• [雑誌論文] Responsive Four‐Coordinate Iron(II) Nodes in FePd(CN)4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Ohtani Ryo、Matsunari Hiromu、Yamamoto Takafumi、Kimoto Koji、Isobe Masaaki、Fujii Kotaro、Yashima Masatomo、Fujii Susumu、Kuwabara Akihide、Hijikata Yuh、Noro Shin‐ichiro、Ohba Masaaki、Kageyama Hiroshi、Hayami Shinya
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 59 ページ: 19254～19259
  • DOI: 10.1002/anie.202008187
  • 査読あり
• [学会発表] 複合アニオン化合物の透過電子顕微鏡による評価(14pC1-6) (2021)
  • 著者名/発表者名: 木本浩司
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 走査透過電子顕微鏡法(STEM)入門 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木本 浩司、吉川 純、CRETU Ovidiu、柳澤 圭一、石塚 和夫
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第63回シンポジウム
  • 招待講演
• [図書] 物質・材料研究のための透過電子顕微鏡 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木本 浩司、三石 和貴、三留 正則、原 徹、長井 拓郎
  • 総ページ数: 400
  • 出版者: 講談社
  • ISBN: 978-4-06-520386-6
• [備考] AEMG of NIMS
  • URL: https://www.nims.go.jp/AEMG/research_E.html
• [備考] 電子顕微鏡グループ ＞ 研究
  • URL: https://www.nims.go.jp/AEMG/research_J.html