名工大など、白色中性子線を用いて微量な軽元素を含む物質の超精密原子像取得に成功

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ユウロピウムを添加した蛍石の多重波長ホログラム

名古屋工業大学の林好一教授、茨城大学の大山研司教授らの研究グループは2017年8月19日、原子レベルの精密構造解析手法として「白色中性子線ホログラフィー」の実用化に世界で初めて成功したと発表した。広島市立大学、高輝度光科学研究センター、熊本大学、日本原子力研究開発機構、J-PARCセンター、高エネルギー加速器研究機構、東北大学金属材料研究所の研究者らとの共同研究によるもので、添加元素によって性能を制御する半導体材料、電池材料、磁性材料などの機能解明とともに、新規材料開発に繋がるものと期待される。

今回同研究グループは、検出器や半導体などの高性能材料の性能を制御するため添加される不純物(ドーパント)の構造を高感度で解析する手法として、極めて多くの波長で多重にホログラムを記録できる白色中性子線ホログラフィーを、大強度陽子加速器施設J-PARC(茨城県東海村)において開発した。

半導体や電池などの高性能材料の開発のためには、原子レベルでの材料構造の理解が求められる。現在、原子を観察する手法はX線回折法や電子顕微鏡法が主流だが、これらの手法では微量な添加元素の観察や、その添加による周囲の構造の変化は観察できず、また水素やリチウム、酸素といった原子番号の小さい元素(軽元素)も検出できない。一方、中性子線は軽元素も重元素と同じ感度で計測できるため、エネルギー材料とも密接に関係するこれらの軽元素の不純物構造解析の進展が期待される。

また、ホログラフィーは物体の立体像を記録・再生する技術で、波長が原子程度の大きさのX線や電子線を用いてホログラムを測定すると、物質中の三次元原子配列を画像化できる。複数の波長でホログラムを記録する多重波長法が考案されて像精度の向上が図られてきたが、波長ごとに測定を繰り返す必要があり膨大な計測時間を要していた。

同研究グループでは以前から、中性子線によるホログラムの測定を行ってきたが、一つの波長でのホログラムしか記録できないものだった。今回、波長ごとに試料に到達する時間が違うという特徴を持つJ-PARCの白色中性子源に着目。一度の走査で合計100波長程度のホログラムを測定できる白色中性子線ホログラフィーの開発に成功した。この多重波長ホログラムは、立体的な形状を持ち、元の原子配列を劣化なく正確に再現することができる。

多重波長ホログラムの概念図

さらに同グループでは、この白色中性子線ホログラフィーにより、放射線検出器の主材料である蛍石にユウロピウム(Eu)のような希土類元素を添加した結晶を測定するデモンストレーションを実施。その超精密原子像から、蛍石中のユウロピウム周辺の原子構造の詳細を解明することに成功した。この結果は将来、放射線検出器の高性能化にも繋がるという。またユウロピウム近傍に軽元素のフッ素が入り込む様子も高精度に可視化できた。

同技術の実現により、環境材料、エネルギー材料において重要な役割を果たしているとされる軽元素の役割解明が期待されるという。

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