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大島研究室

電子顕微鏡とデータ科学の融合による
新奇ナノ物性の探索

大島研究室 OSHIMA Laboratory
教授:大島 義文(OSHIMA Yoshifumi)

E-mail:E-mai
[研究分野]
電子顕微鏡、表面界面物性、ナノ物質
[キーワード]
オペランド観察、新計測技術、データ科学

研究を始めるのに必要な知識・能力

研究は、新しい何かを発見することです。そのなかでいちばん重要なのは「あきらめない」という強い気持ちです。能力としては、数学と物理の基礎知識を持っていることが望ましいです。

この研究で身につく能力

[基礎]:実験・学習・議論をとおして、固体物理学に対する深い理解が身につきます。
[技術]:電子顕微鏡、真空装置、3D-CADソフトの使い方を学びます。
    また、Pythonプログラミングによるデータ解析を学びます。いずれも基礎から始めることができます。
[その他]:定期ミーティングでの発表をとおして、自分の研究を他者に分かりやすく伝えるスキルを学びます。

【就職先企業・職種】 電気・材料メーカー、材料分析会社、大学の技術職員など

研究内容

oshima1.jpg
図1 (a) 実験の模式図。試料を保持するための装置 (試料ホルダー) は
研究室で独自に開発しました。白金原子鎖の (b) コンダクタンス、(c)
剛性が測定できました。(d) 電子顕微鏡像。白金は暗く見えています。
AとBにおいて、左右の白金を橋渡ししているのが単原子鎖です。

oshima2.jpg
図2 (a) 金ナノロッドの電子顕微鏡像。奥行き方向にならぶ金原子の
列が明るい点として見えています。(b) 従来手法で測定した原子変位
(c) データ科学で処理した原子変位。原子が正常な位置から左に
ずれるほど暗い青色、右にずれるほど明るい黄色で示されます。


本研究室では、ナノ材料がしめす新しい現象を探索しています。そのために、次のような研究に励んでいます。

☑ 電子顕微鏡によるナノ~原子スケールでの材料観察
☑ 材料の力や電気化学特性を測定できる新しい装置の開発
☑ データ科学の応用によって電子顕微鏡像から重要な情報を抽出

具体的な研究例を以下に示します。

よく伸びる白金原子の鎖状物質

 電子顕微鏡のなかで材料を動かしながら、材料の電気伝導度、剛性、原子のならびを同時に測定できる特殊な試料ホルダーを自作しました1。このホルダーを用いて、幅が原子1個、長さが原子2~5個の白金鎖状物質の特性を調べました (図1)2。生活のなかで目にするふつうの白金は、原子が3次元的に結合しており、わずか数%しか伸びません。しかし、鎖状物質はもとの状態から+24%まで伸びました。1次元の単原子鎖にすることで、白金の結合特性が大きく変わることを発見しました。

データ科学による原子配列の解析

 原子の正常な位置からのずれ(原子変位)を測定しました3 従来の方法では、変位量が小刻みに変化して見えます (図2b)。これは原子変位の情報ではなく、解析のじゃまをするノイズ成分です。そこで、データ科学手法のガウス過程回帰を用いることで、原子変位の情報を抽出することに成功しました (図2c)。測定可能な最小の原子変位は0.7pm(ピコメートル、1兆分の1メートル)ときわめて小さく、材料のなかで生じる2.4pmの原子変位を検出することに成功しました。

主な研究業績

  1. J. Zhang, et al., Nanotechnology 31 (2020) 205706
  2. J. Zhang, et al., Nano letters 21 (2021) 3922
  3. K. Aso, et al., ACS Nano 15 (2021) 12077

使用装置

☑ 超高真空透過型電子顕微鏡
☑ 高度な物性測定をおこなうための電子顕微鏡ホルダー
☑ 3D-CADやデータ解析がおこなえるワークステーションPC

研究室の指導方針

研究室ミーティングを毎週おこなっています。担当の学生が、研究の進捗状況や、興味をもった論文について紹介し、みんなでディスカッションします。担当の頻度はおよそ3週間に1回です。固体物理を学ぶための読書会もあります。学生のあいだでの学びあい・教えあいや、ディスカッションを推奨しています。コミュニケーション能力を高めるために、国内外の学会で発表することも推奨しています。博士学生は、自らの研究に集中して科学雑誌に論文を投稿できるよう、最大限サポートします。

[研究室HP] URL:https://www.jaist-oshima-labo.com/

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