原子分解能電場計測STEM法を用いた極性酸化物界面の局所ポテンシャル構造解析

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26289234
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 柴田 直哉 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10376501)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: STEM / セラミックス / 電場 / 極性結晶 / 界面

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電場計測走査透過電子顕微鏡法（STEM)を用いてセラミックス界面の局所電場及び静電ポテンシャル構造を直接解析し、セラミックス界面における機能発現メカニズムを本質的に解明することを目指している。特に、本研究では強誘電体セラミックス及び圧電セラミックスなどの極性酸化物セラミックスの界面に着目し、その局所電場プロファイルをナノメーターオーダーで実空間観察することにより、界面における電場変調、電荷分布、静電ポテンシャル構造を実験的に直接明らかにする。これにより、極性酸化物セラミックスの界面機能発現の根本メカニズム解明にブレークスルーを与えるとともに、最近発見された極性酸化物ヘテロ界面における特異な電気伝導現象の起源解明にも挑戦する。
本年度は、原子分解能電場計測STEM法において電場を定量的に計測するための実験的な最適化を行った。具体的には、最適な検出器角度、検出器回転方向の検討、検出器レスポンス及び電子光学系（超高分解能から超高感度まで）の構築を行い、これまで難しかった超高感度な電場計測を可能にした。またこれらの光学系をフレキシブルにチューニング可能なシステムを構築した。また、この手法を用いたLiTaO3ドメイン界面やGaN系極性界面などの観察を行い、界面の電場プロファイルの計測に成功している。

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

H26年度は①極性単結晶における原子分解能電場計測STEM法の定量化,②極性結晶における原子分解能電場計測STEM法の理論解析,③モデル界面試料の作製と局所ポテンシャル構造評価を3つの主要研究テーマとして独立に取り組み、研究を推進した。いずれのテーマに関しても概ね期待通りの進捗があり、全体としてスムーズに進んでいる。特に①と③に関しては、当初の期待以上の成果が出始めており、国内外でも注目が集まっている。その証左として、招待講演などの依頼が非常に多かった。極性界面に関しては、外部研究者、企業との共同研究もスタートしており、観察すべきモデル界面が順調に集まっている。

今後の研究の推進方策

来年度は引き続き上記①～③の研究を推進し、極性界面の特異な電子現象の起源となる2次元電子ガスや固定電荷の実空間観察を目指した研究を行う。また、すべての結果を総合することにより、原子分解能電場計測STEM法の確立と極性界面ポテンシャル構造の解明に資する研究を推進する。

次年度使用額が生じた理由

共同研究先からの試料提供などがあり、試料作製用消耗品の支出が予定より少し減ったため。

次年度使用額の使用計画

次年度では、申請者独自の極性界面試料作製を前年以上に推進するため、消耗品に充当して利用する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Dissociation of the 1/3 Dislocation and Formation of the Anion Stacking Fault on the Basal Plane in α-Al2O3 (2015)
  • 著者名/発表者名: E. Tochigi, A. Nakamura, T. Mizoguchi, N. Shibata, and Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Acta Mater. 巻: 91 ページ: 152-161
  • DOI: doi:10.1016/j.actamat.2015.02.033
  • 査読あり
• [雑誌論文] On the quantitativeness of EDS STEM (2015)
  • 著者名/発表者名: N.R. Lugg, G. Kothleitner, N. Shibata and Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Ultramicroscopy 巻: 151 ページ: 150-159
  • DOI: doi: 10.1016/j.ultramic.2014.11.029.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron microscopic observation of selective excitation on conformational change of a single organic molecule (2015)
  • 著者名/発表者名: R.M. Gorgoll, E. Yücelen, A. Kumamoto, N. Shibata, K. Harano and E. Nakamura
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 137 ページ: 3474-3477
  • DOI: DOI: 10.1021/jacs.5b00511
  • 査読あり
• [雑誌論文] A dislocation core in titanium dioxide and its electronic structure (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Sun, Z.C. Wang, N. Shibata and Y. Ikuhara
  • 雑誌名: RSC Adv. 巻: 5 ページ: 18506-18510
  • DOI: DOI: 10.1039/C4RA15278F
  • 査読あり
• [雑誌論文] Misfit accommodation mechanism at the heterointerface between diamond and cubic boron nitride (2015)
  • 著者名/発表者名: C. Chen, Z. Wang, T. Kato, N. Shibata, T. Taniguchi and Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Nature Comm. 巻: 6 ページ: 6327
  • DOI: doi:10.1038/ncomms7327
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photoelectrochemical Oxidation of Water Using BaTaO2N Photoanodes Prepared by Particle Transfer Method (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Ueda, T. Minegishi, J. Clune, M. Nakabayashi, T. Hisatomi, H. Nishiyama, M. Katayama, N. Shibata, J. Kubota, T. Yamada and K. Domen
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 137 ページ: 2227-2230
  • DOI: doi: 10.1021/ja5131879.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase interface structures in Li1+xRh2O4 zero strain cathode material analyzed by scanning transmission electron microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Nakamura, Y. Gu, K. Taniguchi, N. Shibata, H. Takagi and Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 27 ページ: 938-943
  • DOI: DOI: 10.1021/cm5042106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Durable hydrogen evolution from water driven by sunlight using (Ag,Cu)GaSe2 photocathodes modified with CdS and CuGa3Se5 (2015)
  • 著者名/発表者名: L. Zhang, T. Minegishi, M. Nakabayashi, Y. Suzuki, K. Seki, N. Shibata, J. Kubota and K. Domen
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 6 ページ: 894-901
  • DOI: DOI: 10.1039/C4SC02346C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Existence of basal oxygen vacancies on the rutile TiO2 surface (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Matsunaga, Y. Tanaka, K. Toyoura, A. Nakamura, Y. Ikuhara and N. Shibata
  • 雑誌名: Phys. Rev. B. 巻: 90 ページ: 195303
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.90.195303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatially-resolved mapping of history-dependent coupled electrochemical and electronical behaviors of electroresistive NiO (2014)
  • 著者名/発表者名: I. Sugiyama, Y. Kim, S. Jesse, E. Strelcov, A. Kumar, A. Tselev, E.K. Rahani, V.B. Shenoy, T. Yamamoto, N. Shibata, Y. Ikuhara and S.V. Kalinin
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 6725
  • DOI: doi:10.1038/srep06725
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase boundary structure of LixFePO4 cathode materials revealed by atomic-resolution scanning transmission electron microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Nakamura, S. Furutsuki, S. Nishimura, T. Tohei, Y. Sato, N. Shibata, A. Yamada and Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 26 ページ: 6178-6184
  • DOI: DOI: 10.1021/cm5024986
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of solar hydrogen evolution from water by surface modification with CdS and TiO2 on porous CuInS2 photocathodes prepared by an electrodeposition–sulfurization method (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Zhao, T. Minegishi, L. Zhang, M.Z. Gunawan, M. Nakabayashi, G. Ma, T. Hisatomi, M. Katayama, S. Ikeda, N. Shibata, T. Yamada and K. Domen
  • 雑誌名: Angew. Chem. 巻: 53 ページ: 11808-11812
  • DOI: DOI: 10.1002/anie.201406483
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large magnetoelectric coupling in magnetically short-range ordered Bi5Ti3FeO15 film (2014)
  • 著者名/発表者名: H.Y. Zhao, H. Kimura, Z.X. Cheng, M.R. Osada, J.L. Wang, X.L. Wang, S.X. Dou, Y. Liu, J.D. Yu, T. Matsumoto, T. Tohei, N. Shibata, Y. Ikuhara
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 5225
  • DOI: doi:10.1038/srep05255
  • 査読あり
• [雑誌論文] A New Sealed Lithium-Peroxide Battery with a Co-Doped Li2O Cathode in a Superconcentrated Lithium Bis(fluorosulfonyl)amide Electrolyte (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Okuoka, Y. Ogasawara, Y. Suga, M. Hibino, T. Kudo, H. Ono, K. Yonehara, Y. Sumida, Y. Yamada, A. Yamada, M. Oshima, E. Tochigi, N. Shibata, Y. Ikuhara and N. Mizuno
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 5684
  • DOI: doi:10.1038/srep05684
  • 査読あり
• [雑誌論文] A New Rechargeable Sodium Battery Utilizing Reversible Topotactic Oxygen Extraction/Insertion of CaFeOz (2.5 ≤ z ≤ 3) in An Organic Electrolyte (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Hibino, R. Harimoto, Y. Ogasawara, R. Kido, A. Sugahara, T. Kudo, E. Tochigi, N. Shibata, Y. Ikuhara, N. Mizuno
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 136 ページ: 488–494
  • DOI: DOI: 10.1021/ja411365z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic structure of luminescent centers in high-efficiency Ce-doped w-AlN single crystal (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa, A.R. Lupini, F. Oba, S.D. Findlay, N. Shibata, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Hayashi, T. Sakai, I. Tanaka, Y. Ikuhara and S.J. Pennycook
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 3778
  • DOI: doi:10.1038/srep03778
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancing photocatalytic activity of LaTiO2N by removal of surface reconstruction layer (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Matsukawa, R. Ishikawa, T. Hisatomi, Y. Moriya, N. Shibata, J. Kubota, Y. Ikuhara and K. Domen
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 14 ページ: 1038-41
  • DOI: DOI: 10.1021/nl404688h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Titanium enrichment and strontium depletion near edge dislocation in strontium titanate [001]/(110) low-angle tilt grain boundary (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Takehara, Y, Sato, T. Tohei, N. Shibata, Y. Ikuhara
  • 雑誌名: J. Mater. Sci. 巻: 49 ページ: 3962-3969
  • DOI: DOI 10.1007/s10853-014-8034-5
  • 査読あり
• [学会発表] 先進走査透過型電子顕微鏡法の開発と材料界面研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 1．柴田直哉
  • 学会等名: 日本金属学会 第156回春期講演大会
  • 発表場所: 東京大学駒場キャンパス
  • 年月日: 2015-03-20
  • 招待講演
• [学会発表] Development and application of new STEM detector (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: KIM-JIM symposium
  • 発表場所: Kangwon Land Convention Hotel, Korea
  • 年月日: 2014-10-23
  • 招待講演
• [学会発表] Atomic-resolution scanning transmission electron microscopy with segmented annular all field detector (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: Mini-symposium on TEM for atomic structure observation
  • 発表場所: Sung Kyun Kwan University, Korea
  • 年月日: 2014-10-22
  • 招待講演
• [学会発表] Advanced scanning transmission electron microscopy with segmented annular all field detector (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: 18th international microscopy congress
  • 発表場所: Prague, Czech Republic
  • 年月日: 2014-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] 原子分解能STEMによる材料界面解析：最近の進展 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田直哉
  • 学会等名: 東京工業大学応用セラミックス研究所第一回材料構造講演会
  • 発表場所: 東京工業大学すずかけ台キャンパス、神奈川県横浜市
  • 年月日: 2014-08-22
  • 招待講演
• [学会発表] Grain boundary structure reconstruction due to vacancies and dopants in oxides (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata, B. Feng, J.-Y. Roh, Y. Sato and Y. Ikuhara
  • 学会等名: Microscopy and Microanalysis 2014
  • 発表場所: Hartford, Connecticut, U.S.A
  • 年月日: 2014-08-08
  • 招待講演
• [学会発表] Atomic resolution scanning transmission electron microscopy with segmented annular all field detector (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata, S.D. Findlay and Y. Ikuhara
  • 学会等名: Microscopy and Microanalysis 2014
  • 発表場所: Hartford, Connecticut, U.S.A.
  • 年月日: 2014-08-05
  • 招待講演
• [学会発表] Polar Oxide interface characterization by differential phase contrast STEM (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata, S.D. Findlay and Y. Ikuhara
  • 学会等名: Microscopy and Microanalysis 2014,
  • 発表場所: Hartford, Connecticut, U.S.A.
  • 年月日: 2014-08-05
  • 招待講演
• [学会発表] New possibility of atomic-resolution STEM with segmented annular all field detector (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: The 1st Korea-Japan Bilateral Workshop on Functional Materials Science
  • 発表場所: Hokkaido University, Hokkaido
  • 年月日: 2014-08-01
  • 招待講演
• [学会発表] Application of segmented annular all field detector for atomic-resolution scanning transmission electron microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: EMSI 2014
  • 発表場所: Delhi University, India
  • 年月日: 2014-07-09
  • 招待講演
• [学会発表] Development of an advanced scanning transmission electron microscope for material science research (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: Millennium Science Forum Sir Martin Wood prize Lecture
  • 発表場所: University of Cambridge, UK
  • 年月日: 2014-06-27
  • 招待講演
• [学会発表] Development of an advanced scanning transmission electron microscope for material science research (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: Millennium Science Forum Sir Martin Wood prize Lecture
  • 発表場所: University of Oxford, UK
  • 年月日: 2014-06-26
  • 招待講演
• [学会発表] Development of an advanced scanning transmission electron microscope for material science research (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: Millennium Science Forum Sir Martin Wood prize Lecture
  • 発表場所: University of York, UK
  • 年月日: 2014-06-25
  • 招待講演
• [学会発表] Development of an advanced scanning transmission electron microscope for material science research (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: Millennium Science Forum Sir Martin Wood prize Lecture
  • 発表場所: Manchester University, UK
  • 年月日: 2014-06-24
  • 招待講演
• [学会発表] Development of an advanced scanning transmission electron microscope for material science research (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Shibata
  • 学会等名: Millennium Science Forum Sir Martin Wood prize Lecture
  • 発表場所: Glasgow University, UK
  • 年月日: 2014-06-23
  • 招待講演
• [学会発表] 原子分解能対応多分割STEM検出器の開発とその応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 柴田直哉
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会 第70回記念学術講演会
  • 発表場所: 幕張メッセ、千葉県千葉市
  • 年月日: 2014-05-11
  • 招待講演