実空間における超精密原子位置計測技術の開拓

开发真实空间超精密原子位置测量技术

• 批准号: 21K18196
• 负责人: 小林 俊介
• 金额: $ 16.64万
• 依托单位: Japan Fine Ceramics Center
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18196/
• 关键词: 走査透過電子顕微鏡; 情報科学; 計測; エネルギー関連材料; 触媒; 電池; 欠陥; 走査型透過電子顕微鏡; 計測技術; 画像処理技術; 界面; 走査透過電子顕微鏡; 情報科学; 計測; エネルギー関連材料; 触媒; 電池; 欠陥; 走査型透過電子顕微鏡; 計測技術; 画像処理技術; 界面

触媒や電池材料などのエネルギー関連材料では界面や表面などの局所領域において、極めて僅かな原子変位に起因して物性が発現する。すなわち、この局所領域における原子変位を高精度に計測する手法が物性発現の起源を理解するためには必要となる。実空間上で局所領域での僅かな原子変位の計測技術を走査透過電子顕微鏡(Scanning transmission electron microscopy: STEM)法により確立することが本研究の目的である。観察される輝点が原子位置に対応するHAADF法を主としたSTEM法を用いた高精度画像取得・解析技術（電子顕微鏡学）と機械学習アルゴリズムなどを用いた画像処理技術を融合し、既存計測技術の精度を超えた実空間における超精密原子位置計測に取り組む。既存設備を用いて網羅的に計測条件を検討することで原子位置精度を向上させた。そして、PtおよびPt3Co単結晶を用いて格子定数差の測定精度を検証した。その結果、像取得条件を精査することでHAADF STEM像からPtとPt3Co単結晶の格子定数差を良い精度で測定できることを確認した。その応用計測として固体高分子型燃料電池（PEFC）に用いられるPt触媒粒子の計測を実施し、表面におけるPt-Pt原子間距離が粒子内部と異なることを確認した。また、原子位置精度を向上させるために、機械学習アルゴリズムを用いたノイズ除去などの画像処理を得られたHAADF STEM像への適応を検証した。機械学習アルゴリズムを用いたノイズ除去により、非常に明瞭な画像を得ることができる。一方で、画像再構成により原子変位が既定の位置から僅かにずれてしまう。現在、この機械学習アルゴリズムを用いた画像処理において各種パラメータを精査し画像処理にともなうアーティファクトが生じない条件を詳細に検討している。そして、画像の再構築により実験像を超える原子位置精度を達成しうるアルゴリズムの構築を目指していく。

在与能量相关的材料（例如催化剂和电池材料）中，由于极小的原子位移，物理特性在界面和表面等本地区域表现出来。也就是说，对于了解物理特性的起源，必须高精度测量该局部区域的原子位移的技术。这项研究的目的是建立一种使用扫描透射电子显微镜（STEM）方法来测量实际空间本地区域轻微原子位移的技术。通过使用STEM方法（主要是HAADF方法）结合高精度图像采集和分析技术（电子显微镜），其中观察到的明亮点对应于原子位置，以及使用机器学习算法等图像处理技术等等，我们将在超级原子能测量中进行超级原子位置测量，从而超过现有测量技术的精度。通过使用现有设备全面检查测量条件，可以提高原子位置精度。然后，使用PT和PT3CO单晶测量测量晶格常数差的精度。结果，可以通过密切检查图像采集条件来良好地从HAADF STEM图像中良好地测量PT和PT3CO单晶之间晶格常数的差异。作为应用测量，测量了在固体聚合物燃料电池（PEFC）中使用的PT催化剂颗粒，并确认表面上的Pt-PT原子之间的距离与颗粒内部的距离不同。此外，为了提高原子位置的精度，我们验证了已获得已获得的HAADF STEM图像的适应，例如使用机器学习算法去除噪声。可以使用机器学习算法去除噪声来获得非常清晰的图像。另一方面，图像重建导致原子位移从预定义的位置略微移动。当前，使用此机器学习算法在图像处理中检查了各种参数，并且正在研究未详细研究与图像处理相关的工件的条件。目的是构建一种算法，该算法可以通过重建图像来实现超过实验图像的原子位置精度。