界面の局所的な熱膨張をナノメートルレベルで直接計測することに成功 東京大学

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東京大学は2021年12月3日、界面の局所的な熱膨張を、ナノメートルレベルで直接計測することに成功したと発表した。

近年の電子デバイスの微細化によって界面における熱膨張の影響が増加しており、局所的な熱膨張を直接測定する技術が求められていた。しかし従来熱膨張の測定に用いられてきたX線のような手法では空間分解能が低く、特定の界面の情報を得ることができなかった。

今回の研究では、走査透過型電子顕微鏡(STEM)で測定される電子エネルギー損失分光法(EELS)に着目。EELSは、電子構造や原子構造に関する情報を得ることができる分光法で、中でも低エネルギー領域で現れるプラズモンと呼ばれるスペクトルに注目した。

プラズモンのピークは、電荷密度と関連することが知られている。熱によって物質が膨張すると電荷密度も変化することから、プラズモンのピーク位置の変化から体積の膨張を検出できると考えた。この考え方に基づいて、実際にチタン酸ストロンチウムというセラミックスの2種類の結晶が接する界面の熱膨張の挙動を、STEMでのEELSによって測定。界面の構造を調べたところ、2種類の界面の構造が大きく異なっていることが分かった。

チタン酸ストロンチウムの2種類の界面(Σ5と45°界面と称される)。(a)(b)(d)(e)はそれぞれの界面から得られた原子分解能STEM像。(c)(f)は理論計算によって得られた各界面の最安定構造モデル。

また、STEM内で700℃まで昇温して局所的な熱膨張を計測したところ、一方の界面は結晶内部の約3倍の熱膨張を示したが、もう一方の界面ではそれが1.4倍程度に抑えられていることが分かった。さらに界面の構造をSTEM観察とシミュレーションによって調べたところ、界面の方が結晶内部よりも原子の密度が低くなっており、そこに生じる余剰空間の大きさと熱膨張が相関関係にあることが判明した。

今回の研究により、界面での局所的な熱膨張の挙動を詳しく知ることができた。これにより、界面構造を制御することで耐久性に優れた新たなデバイスの設計指針を得ることができるという。

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