2018 Fiscal Year Annual Research Report
高精度位置分解EELS法の開発と界面電子状態の解析
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17H02739
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
倉田 博基 京都大学, 化学研究所, 教授 (50186491)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
治田 充貴 京都大学, 化学研究所, 助教 (00711574)
根本 隆 京都大学, 化学研究所, 助教 (20293946)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子エネルギー損失分光法 / 走査型透過電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、モノクロメータを搭載した球面収差補正走査型透過電子顕微鏡（STEM）と電子エネルギー損失分光法（EELS）を組み合わせることにより、固体内界面の局所電子状態を高い空間分解能で解析することを目的としている。それを実現するために、電子走査と同期して、画像信号とEELS信号を同時に計測するスペクトラムイメージ（SI）データを多数取得し、個々のSIデータ間の位置ずれを非剛直な方法で位置補正を行い積算することで、スペクトルデータのシグナル/ノイズ比を格段に向上させる、マルチフレーム方式を開発した。前年度は、データ容量が大きいSIデータの処理を可能にするために、計測システムの強化を行い、1万程度のモチーフをSIデータから抽出し、積算する手法を構築した。
当該年度は、新たに開発されたマルチフレーム・モチーフ法を用いて、ペロブスカイト構造やブラウンミレライト構造を有する遷移金属酸化物のSI測定を行い、原子分解能での元素マッピングを高いシグナル/ノイズ比で得ることができた。さらに各元素信号強度を抽出し、４配位と６配位、１２配位の金属近傍における酸素/金属のスペクトル強度比を原子カラム分解能レベルで定量的に解析し、金属に配位している酸素数とスペクトル強度比に相関があることを見出した。この成果は、界面などにおいて酸素欠陥などが生じている不規則な系において、金属元素に配位した酸素の定量化にも適用できる新規な解析法として意義がある。
さらに、局所的な電子状態の異方性を測定する新しい方法として、位置分解EELS法に運動量移送選択を組み合わせた計測法を開発した。実証実験として、チタン酸ストロンチウム結晶の酸素K殻励起スペクトルの吸収端微細構造に適用し、特定原子サイトにおける散乱方向に依存した微細構造変化を検出し、第一原理バンド構造計算による解析に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
STEM-EELS法で計測されたスペクトラムイメージデータを、マルチフレーム方式により積算し、スペクトルのシグナル/ノイズ比を向上させる新しい方法を開発し、前年度は電子線照射に敏感な高温超伝導体に適用し、ホールマッピングに成功したほか、当該年度は種々の遷移金属酸化物の原子分解能元素マップの定量化に成功するなど、新規手法の実用性を順調に実証してきた。
さらに、内殻励起スペクトルの吸収端微細構造を利用した局所電子状態解析においては、化学結合の方向性を明らかにする新しい計測手法の開発にも着手し、原子分解能レベルで非弾性散乱の方向依存性を検出することに成功した。この成果は、空間分解能を原子レベルに維持した状態で、それと競合する散乱角度情報を分解し得た点に意義がある。この手法は、界面などのように構造の対称性が低下した領域において、有効に適用できるものである。さらに、第一原理バンド構造計算によるスペクトルシミュレーションにおいても、角度分解したスペクトルの計算を実施することができ、実験結果を良く再現し、当初予定していた結合の異方性に関する研究はおおむね順調に進展した。
一方、価電子励起スペクトルを利用した物質の光学的性質に関する研究については、低エネルギー損失領域の空間的非局在性の理論的な考察に留まっており、今後実験等を実施する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、EELSで得られる吸収端微細構造（ELNES）に対して、前年度までに開発した新規計測法を適用し、原子分解能で金属元素近傍の電子構造を解析する。特に、3d遷移金属のL2,3殻のELNESに着目し、その微細構造について配位子場を考慮した多重項計算を用いてシミュレーションすることにより、金属原子近傍の局所構造に関する情報を抽出する手法を検討する。特に、金属周りの酸素配位構造の歪みに起因するスペクトル変化の解析に着目する。さらに、酸素K殻のELNESについては、励起電子の多重散乱計算や第一原理バンド計算を行い、酸素欠陥近傍の局所構造変化とELNESの相関を明らかにする。
また、前年度計画していた価電子励起スペクトルの解析においては、非弾性散乱の非局在性に関する理論的検討を行ったので、今年度はスペクトル計測を実施する。特に、内殻電子励起と価電子励起スペクトルを同時測定することにより、前者から伝導バンドに関する電子構造変化を解析すると同時に、後者から価電子バンドと伝導バンドの双方が関与した物質の光学的性質を明らかにし、両者の相関を可視化する位置分解したマッピング計測に取り組む。
最終年度にあたり、これまでの研究成果の総括を行い、STEM-EELS法を用いた局所電子構造解析法の今後の方向性を明らかにする。
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