利用報告書 / User's Report

【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.14】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22HK0026

利用課題名 / Title

エネルギー変換材料のナノスケール表界面制御

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/Electron microscopy,核磁気共鳴/Nuclear magnetic resonance,集束イオンビーム/Focused ion beam,X線回折/X-ray diffraction,電子分光,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,水素貯蔵/ Hydrogen storage


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

中川 祐貴

所属名 / Affiliation

北海道大学大学院工学研究院 附属エネルギー・マテリアル融合領域研究センター

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

柴山 環樹,竹口 雅樹

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

岩崎純子,横平綾子,大多亮,谷岡隆志,大久保賢二,坂口紀史,柴山環樹,吉田すずか,鈴木啓太

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

HK-101：ダブル球面収差補正走査透過型電子顕微鏡
HK-102：電界放射型分析電子顕微鏡
HK-103：マルチビーム超高圧電子顕微鏡
HK-201：X線光電子分光装置
NM-501：実動環境対応物理分析電子顕微鏡


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究では、主にエネルギー変換材料を対象として、イオン照射・パルスレーザーによる表面改質やメカニカルミリングによる界面制御を行った。具体的には、ガスイオン照射した酸化タングステンの表面解析、ヘリウムイオン照射による純銅の酸化特性の制御、パルスレーザーによる水素吸蔵金属チタンの表面改質、ミリングによるリチウムイオン伝導体LiBH4の界面制御やナノ水素貯蔵材料の加熱TEMその場観察などを行った。

実験 / Experimental

【ガスイオン照射した酸化タングステンの表面解析】
タングステンロッドを大気中で800℃で加熱することで、酸化タングステンロッドを得た。その後、北海道大学の超高圧電子顕微鏡に附属のイオン加速器を用いて、加速電圧100 kVでH2+, He+や Ar+照射を行った。H2+, He+や Ar+照射時のフルーエンスはそれぞれ1.0×1016, 5.0×1016, 1.0×1016 ions/cm2であった。また、一部のロッドについては、500℃, 真空 (5.0×10-5 Pa)下で4時間の真空加熱処理を行った。これらのロッドについて、XPSによる表面解析や可視光照射下での色素分解速度の評価を行った。なお、XPS解析については、試料を大気曝露後に測定を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

【ガスイオン照射した酸化タングステンの表面解析】
酸化タングステンロッドは黄色であり、これを500℃で真空加熱することで濃い緑色に着色することが分かった。また、H2+, He+や Ar+照射したロッドでは照射部が青く変色していた。XPSのW 4fスペクトルのフィッティングより、真空加熱したロッドでは僅かにW5+に起因するピークが観測され、微量の酸素欠損が導入されたと考えられる。Ar+照射したロッドでは真空加熱ロッドよりも強いW5+のピークが観測され、より多くの欠損が導入されることが分かった。イオン照射したロッドのWide scanではC 1sの強いピークが観測され、イオン照射中にコンタミネーションが堆積することが判明した。高フルーエンスになる程、コンタミネーション量も多くなることも分かった。また、イオン照射後に真空加熱処理を行うとコンタミネーションが減少し、WO3-x相に起因する格子酸素の結合ピークを観測することができた。
　これらの酸化タングステンロッドを用いて、可視光照射下でローダミン6G水溶液の分解挙動を評価したところ、500℃の真空加熱処理を行った試料は元のWO3ロッドよりも分解速度が若干向上することが分かった。一方で、イオン照射したロッドは元のWO3よりも分解速度が低下しており、酸素欠損とコンタミネーションが多く導入されているためであると考察した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

・共同研究者：物質・材料研究機構　竹口 雅樹 様


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Yuki Nakagawa, Effects of gas phase ion irradiation and vacuum annealing on the visible light photocatalytic properties of WO3, Vacuum, 206, 111519(2022).
    DOI: 10.1016/j.vacuum.2022.111519
  2. Subing Yang, Tailored copper oxidation in alkaline aqueous solution after helium cation implantation, Applied Surface Science, 591, 153087(2022).
    DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.153087
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 岩田知紘、中川祐貴、柴山環樹、竹口雅樹, "ミリング粉砕したFe-BN混合粉末への高温での電子線照射が熱分解に及ぼす影響(口頭)" 日本顕微鏡学会 第78回学術講演会, 令和4年5月11日
  2. 白土泰裕、中川祐貴、柴山環樹, "WO3光触媒によるローダミン6G分解及びTEMによる微細組織観察(ポスター)" 第16回水素若手研究会, 令和4年9月5日
  3. 佐藤祐、中川祐貴、柴山環樹, "He+イオン照射による酸化銅の水中結晶光合成抑制効果(ポスター)" 日本金属学会 2022年秋期講演大会, 令和4年9月21日
  4. 白土泰裕、中川祐貴、柴山環樹, "WO3光触媒によるローダミン6G分解とTEMによる微細構造観察(ポスター)" 日本金属学会 2022年秋期講演大会, 令和4年9月21日
  5. 千藤翼、中川祐貴、柴山環樹, "LiBH4-ZrO2複合物質のLiイオン伝導度の評価と電子顕微鏡による微細組織の観察(ポスター)" 日本金属学会 2022年秋期講演大会, 令和4年9月20日
  6. 中川祐貴、岩田知紘、柴山環樹、竹口雅樹, "ミリング粉砕Fe-BN混合粉末の加熱TEMその場観察による微細組織変化(口頭)" 日本金属学会 2022年秋期講演大会, 令和4年9月22日
  7. 白土泰裕、中川祐貴、柴山環樹, "HVEMによるWO3光触媒反応のその場観察(ポスター)" 令和4年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会, 令和4年11月19日
  8. 野坂光、中川祐貴、柴山環樹, "銅の大気中低温熱酸化挙動におけるHe+-H2+複合照射の影響(ポスター)" 令和4年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会, 令和4年11月19日
  9. 松本千里、中川祐貴、柴山環樹, "スパッタリングによる貴金属系ハイエントロピー合金ナノ粒子の作製(ポスター)" 令和4年度日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会, 令和4年11月19日
  10. 中川祐貴、岩田知紘、柴山環樹、竹口雅樹, "ミリング粉砕Fe-BN混合粉末の加熱TEMその場観察： 窒素ガス放出時の電子線照射による微細組織変化の考察(口頭)" 令和4年度日本顕微鏡学会 北海道支部学術講演会, 令和4年11月19日
  11. 杉本元樹、中川祐貴、柴山環樹, "アセトン中のナノ秒パルスYAGレーザー照射によるチタンの水素吸蔵特性の制御（口頭）" 2022年度日本金属学会 北海道支部冬季講演大会, 令和5年1月19日
  12. 中川祐貴、杉本元樹、石垣みずほ、柴山環樹, "ナノ秒パルスレーザーによる水素吸蔵金属チタンへの炭素・窒素ドーピング（口頭）" 日本金属学会 2023年春期講演大会, 令和5年3月10日
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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