最先端放射光ナノ計測・解析共用拠点(日本原子力研究開発機構)
米 田 安 宏吉 越 章 隆竹 田 幸 治
塩 飽 秀 啓
1)
1)
1)
2)
松 村 大 樹菖 蒲 敬 久田 村 和 久1)
1)
2)

外の研究に利用されている．

.

は じ

め

に

 反応ガス中および加熱
表面化学実験ステーションは，ア( 1150 °C )中の表面反応を観察するための反応分析室，

原子力機構は大型放射光施設 SPring8 に 2 本の専用ビー

ルゴンイオンスパッターと 1150 °C 程度までの真空アニール

ムラインを持ち，6 つの外部供用装置がそれぞれのビームラおよび低エネルギー電子回折(LEED)を備えたクリーニング

インに備わっている．原子力機構の装置の特徴は，軟 X 線

 走査型プローブ顕微鏡( STM / AFM )室および
 試料
室，

領域から硬 X 線領域まで広いエネルギーをカバーした分光を大気から真空中に導入するためのロードロック室で構成さ装置によって元素を選択した上で化学結合状態や磁性を知るれた複合表面分析装置である．不純物の影響を排除するためことができる．また，汎用性の高い k 型回折計や応力・イに，ロードロック室を除く各真空槽は 2× 10－8 Pa 以下の超メージング測定装置によって結晶構造解析や X 線 CT(com-

高真空を維持している．各真空槽はゲートバルブを介して接

puted tomography)を行うことができる．それぞれの装置の続され，試料は大気に曝されることなく各真空槽間を往来で特徴とどのようなデータが得られるかを順に紹介する．なきる．

お，装置の外観等については JAEA&QST 微細構造解析プ

本装置の主な分析方法は，挿入光源で得られる高輝度軟

ラ ッ ト フ ォ ー ム の ホ ー ム ペ ー ジ ( http: // www.kansai.qst.

X 線(1) を励起光とする光電子分光である．光電子のエネル

go.jp/nano/)も合わせて参照していただきたい．

ギー分析器は，オミクロン社製 EA 125 ( 5 個のチャンネルトロン)である．高エネルギー分解能かつエネルギー可変性.


外部供用装置とその利用例

表面化学実験ステーション( 400 ～ 2000 eV )を利用することで，表面敏感な精密化学分析が可能である．ここで，軟 X 線領域では光イオン化断面積が高エネルギー X 線より大きいので，検出感度(スループ

ナノテクノロジーの研究開発において，固体の表面・界面ット)に優位である．従って，元素の同定に加えて，リアルで起きる化学反応の観察や分析は，例えば，ナノ電子デバイ

タイム光電子分光による表面の吸着量，化学状態および電子スの薄膜作成プロセス，触媒反応，材料の防食処理など応用

状態の時間変化を捉えることができる．

上重要であり，物理化学や新物質探索という基礎科学の研究

表面化学反応の放射光リアルタイム光電子分光を実現する対象としても興味深い．表面・界面の化学反応の理解や制御ために，差動排気システムを放射光ビームラインに配置し，には，表面や界面にフォーカスして存在する特定原子に由来

10－3 Pa 程度までのガス導入中の表面観察を可能としていする電子状態や化学状態の情報を選択的に抽出することが必る．可変リークバルブによるガス導入に加えて，ノズル分子須となる．このような目的を達成するために，原子力機構でビーム装置が接続されている．加熱ノズル(最高 1400 K)には SPring8 の軟 X 線ビームラインに表面・界面の化学反応

よって，最大 2.3 eV 程度の並進エネルギーを持つ酸素分子分析専用の装置(表面化学実験ステーション)を整備し，所内ビームの照射が可能である．放射光の持つビーム特性によっ国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構1)研究主幹 2)研究副主幹(〒679
5148 兵庫県佐用郡佐用町光都 111)
Synchrotron RadiationBased Techniques Available at JAEA Advanced Characterization Nanotechnology Platform (Japan Atomic
Energy Agency); Yasuhiro Yoneda, Akitaka Yoshigoe, Yukiharu Takeda, Hideaki Shiwaku, Daiju Matsumura, Takahisa Shobu and Kazuhisa Tamura (Materials Science Research Center, Japan Atomic Energy Agency, Sayogun, Hyogo)
Keywords: synchrotron radiation, XPS (xray spectroscopy), MCD (magnetic circular dichroism), (XAFS (xray absorption fine structure),xray diffraction
2019年 7 月30日受理[doi:10.2320/materia.58.763]

ま て り あ 第58巻 第12号(2019)
Materia Japanて，分子ビーム照射位置のピンポイント観察を可能としている．反応性気体分子に関しては，これまで O2, NO, H2O な

軟 X 線磁気円二色性測定装置

どの酸化剤，CH4, CH3Cl, C2H2, HCOOH などの有機分子やX 線磁気円二色性(Xray Magnetic Circular Dichroism,

H2, CO, CO2 などの利用実績がある．毒性や爆発性などを有XMCD)は，円偏光 X 線による内殻吸収を活用した元素およする気体でも He などで一定レベルに希釈すれば利用でき

び電子軌道選択的な磁気プローブである．無偏光 X 線による．これまで，Si, Ge, SiC, GaN などの半導体，Cu, Ti, Ni

る吸収とは異なり，試料の磁化方向と平行に入射する円偏光や Cu 合金，Ni 合金などの金属，カーボン材料(グラフェン，

X 線に よる吸 収強度 はスピ ン電子 状態に 依存す る．よ っ

CNT ，ダイヤモンド)，ナノ粒子など，電子デバイス，触て，内殻準位からの遷移先である伝導帯においてアップスピ

媒，腐食・防食，ナノバイオなど，対象と組み合わせはバラ

ンとダウンスピンの状態密度に偏りがあれば左・右円偏光

エティーに富み，反応メカニズム(キネティクス，ダイナミ

X 線での吸収強度が異なる．この左・右円偏光 X 線におけクス)の解明や並進エネルギー誘起表面物質相探索といったる 吸 収 強 度 差 が XMCD で あ る ． 特 に 軟 X 線 領 域 で のユニークな研究が展開されている．

XMCD 実験では，遷移金属の 2p3d(L2,3)吸収端，希土類のナノテクノロジー解析プラットフォームの支援例としてダ3d4f(M4,5)吸収端，アクチノイドの 4d5f(N4,5)吸収端など

イヤモンド(111)表面のグラフェン化の観察を紹介する(2)．

を用いることで，磁性を担う d 電子，f 電子の磁性状態を直グラフェンは次世代エレクトロニクスの有力材料であり，絶接的に調べることができる．また， XMCD スペクトルに総縁体表面への直接形成としてグラフェン/ダイヤモンドが注和則を適用することで，スピン磁気モーメントと軌道磁気モ

目されている．ダイヤモンドは室温では絶縁体であるため光ーメントを分離して定量評価ができることも XMCD 実験の電子分光で致命的な帯電が起きるが，熱処理中は伝導電子が特筆すべき特長であろう．以上をまとめると， XMCD 実験

熱励起されるので回避できる．この点を活かして，高温環境から得られる情報は次のとおりである．吸収( XAS )スペク

中のリアルタイム光電子分光観察から熱処理グラフェン形成

トルや XMCD スペクトルの形状からターゲット元素の電子を明らかにした(図)．SiC よりも低温形成できることを証状態(価数や結晶場など)の情報が得られる． XMCD 信号の明するとともに，ワイドギャップ材料分析への光電子分光利

強度や符号からはターゲット元素が有している磁気モーメン

用の可能性を示した．

トの大きさとその向きの情報が得られる．

さて，ユーザー支援で特に重視していることは，希望の実

SPring 8 原子力機構専用ビームラインに設置されている

験と装置のマッチングである．大学等での事前実験を如何に

XMCD 装置の写真と概略図を図に示す．写真の白矢印は実現(再現)できるかが，放射光の魅力を知る必須条件と信じ

放射光 X 線の照射方向および測定試料を大気から超高真空ている．また，試料を作成しながら分析する“その場”観察に保たれている超伝導磁石中心(測定位置)まで導入する経路

実験では，装置特性を十分理解した上でオペレーションするを示している．専用試料ホルダーに取り付けた試料を真空槽ことが要求されるので，維持管理と同様にこの点を意識してに導入するための試料バンクには，容易に開閉可能なアクセサポートしている．また，新規テーマを研究開発シーズと捉スドアが設けてあり大気開放および真空引きが迅速にできる

え，トライアル測定などを通して最先端の課題に対応できるようになっている．試料の位置調整は電動の装置架台を用い環境を整備している．これらの取り組みによって表面化学実て調整する．測定開始前に試料の清浄表面を得る必要がある験ステーションは，高い稼働率，実施満足度および継続的な場合は試料準備槽において，スパッタ，アニール，へき開な利用と成果発信が実現している．

どの処理を行うことができる．加えて，ユーザー持ち込みの

図1




ダイヤモンドの高温加熱中の軟 X 線放射光リアルタイム光電子スペクトルとグラフェン由来の成分の温度依
存性およびダイヤモンド表面のグラフェン化の反応モデル(2)．(オンラインカラー)

特

集

図2

原子力機構専用ビームライン(BL23SU)に設置されている XMCD 測定装置の写真と概略図．(オンラインカラー)

装置も組み込むことができるポートがある．いずれの試料処

気モーメントがどのように揃っているのかを明らかにした．

理においても装置担当者との事前の打ち合わせが必要とな

強磁性転移温度以下において Cr 3d, Sb 5p そして Te 5p にる．超伝導磁石の最大印可磁場は± 10 テスラで，試料温度

は磁気モーメントが存在するが，Bi 6p には存在しないこと

は室温から 5.5 K の範囲で可変である． XAS の測定は，試が分かり，さらに Cr 3d と Sb 5p の磁気モーメントは平行

料 の 光 電 流 を 測 定 する Total Electron Yield を採 用 し て いに向くが，Te 5p のそれは反平行に向くことが明らかになっる．この XMCD 実験装置で XMCD スペクトルを得る方法た．これら実験結果と理論計算を組み合わせることで，このは二つある(1) ．ひとつは on the fly モードで，もうひとつ物質における強磁性は p d 相互作用により発現しているこは 1Hz 円偏光スイッチングモードである．onthefly モーとを明瞭に示した．この成果は軟 X 線による XMCD 実験のドでは，光エネルギー走査速度 40 eV/min 程度で XAS スペ

特長を活かした好例と言える．

クトルが測定できる．一本目の XAS スペクトルを取得した
のちに円偏光を切り替えて，二本目の XAS スペクトルを取

XAFS 測定装置

得して，それらの差分をとることで XMCD スペクトルを得

放射光を用いた X 線吸収分光(X 線吸収微細構造， X ray

る．一方，1Hz 円偏光スイッチングモードでは，1 Hz 周期

absorption fine structure, XAFS)測定では，低エネルギーかで左・右円偏光を切り替えることで各光エネルギーにおいてら高エネルギーまで広いエネルギー範囲を持ち，入射光強度

XMCD 信号を取得し，逐次的に光エネルギーを走査して変化が小さい偏向電磁石ビームラインが通常利用されていXMCD スペクトルを測定する．前者は後者に比べて，高速る．それに対し原子力機構では，偏向電磁石ビームラインよ

な XMCD スペクトルの取得が可能である．一方，後者の方

りも 2 桁～3 桁輝度の高いアンジュレータビームラインを利が高い XMCD 検出精度が得られる．これらモードには一長用する高輝度放射光 XAFS 測定装置を構築し，原子力に係一短があり実験内容により効果的に使い分けるとよい．

る研究に応用している．

図に Fe の XMCD 測定例を示す．図 3 ( a )は Fe L2,3 吸

アンジュレータ放射光は，エネルギーに対して鋸刃状に強収端における XAS スペクトルで図 3(b)は XMCD スペクト度が変化する特徴を持つため，輝度の高い奇数次光を使うこルである．図 3(c)は Fe L3 吸収端の光エネルギーを固定(図とが多い．エネルギーに合わせてアンジュレータの磁石列間

3 ( b ) 矢 印 ) し ， 1 Hz 円 偏 光 ス イ ッ チ ン グ モ ー ド に よ り

距離を連続的に変えることができれば，輝度が高い状態を保XMCD 強度の磁場依存性を測定した結果である．XMCD ス

っ た ま ま XAFS 測 定 が 可 能 と な る ． し か し ， Quick-

ペクトル形状が磁場や温度によって変化せず，強度のみが変ScanXAFS 測定のように短時間に分光器とアンジュレータ

化する場合， XMCD 強度は磁気モーメントの大きさに比例を同期させて駆動することが難しいため，本装置では偶数次するので，Fe 3d 電子のもつ磁気モーメントの磁場依存性，光を使用して QuickScanXAFS 測定を行っている．偶数次

すなわち元素・電子軌道選択的磁化曲線とみなすことができ

光は奇数次光より 1 桁程度輝度が低くなるが，それでも偏る．同様の方法で磁化の温度依存性を測定することも可能で

向電磁石光と比較すると 2 桁～ 2.5桁も輝度が高いため，低ある．

濃度試料の測定も可能である．

実際の利用例として，トポロジカル絶縁体(Sb, Bi)2Te3 にアンジュレータ放射光による QuickScanXAFS 測定の例

Cr を ド ー プ し た 物 質 群 に お け る XMCD 研 究 を 紹 介 すを図に示す．およそ 1.5 keV という EXAFS 測定範囲でる(3)．この研究では，すべての構成元素に対して XMCD をは，偏向電磁石放射光と同様に強度変化の小さい入射光が得行うことで，それぞれの元素における磁化の有無，そして磁られるため，2 分間程度でも測定できる．

ま て り あ 第58巻 第12号(2019)
Materia Japan




図4

ロジウム箔の XAFS 測定例．(オンラインカラー)

ることも可能である．
XAFS 測定のために，透過法ではイオンチェンバーを使用し，充填ガスとして窒素ガス，窒素＋アルゴン( 50 )ガス，アルゴンガスを利用できる．蛍光法では 19 素子半導体検出器を利用できる． RI ・アクチノイドを含む試料測定のために， RI 試料専用チェンバーを用意しており，これまでにウラン・トリウムを含む多くの溶媒抽出錯体の構造解析を行ってきた．既に溶液では濃度 0.1 mmol 試料も，透過法にて測定可能となっている．今後は，KB ミラーの導入を予定しており，さらに極微量・微小試料測定を目指している．
高輝度放射光 XAFS 測定装置は，これまで他のビームラ
図3

Fe L2,3 吸収端における XMCD 実験(測定温度
室温，印可磁場2 T)の例．(a) 内殻吸収スペク
トル(XAS)．m＋(m－)は磁場の向きと光のヘリシティーが平行(反平行)を示している．m＋m－ は無
偏 光 に よ る XAS ス ペ ク ト ル と み な せ る ． ( b )XMCD スペクトル．定義によっては差分の向きが逆の場合もある．( c ) Fe L3 吸収端(( b )の矢印)における XMCD 強度の磁場依存性．(オンラインカラー)

インに設置していたが， RI ・アクチノイド試料測定を実施するために，SPring8 の RI 実験棟へ移設した．一昨年には世界で初めてアインスタイニウムの水和構造の測定に成功した．今後も，放射性廃棄物を対象とする分離法や分離技術の開発研究，次世代再処理ガラス固化技術開発研究，希少金属の分離回収研究，金属錯体の構造解析，地層処分システムの安全性評価に係る研究開発に貢献することを目的としている(4)(5)．
エネルギー分散型 XAFS 装置

本実験装置で使用する分光器には「マルチ結晶交換システ

XAFS 法は内殻電子の遷移を利用するが故に，元素選択

ム」採用している．回折面( 111)と( 311 )を持つ二組のシリ性がある．また，光電子の周辺原子との散乱による干渉効果

コン単結晶を並べて配置し，液体窒素温度かつ高真空下にて，が微細構造に表れるため局所構造に敏感である．入射・検出

1 軸( X軸)の並進により，いつでも何度でも簡単に結晶をプローブ共に X 線であることから「その場」観察や「オペ交換することができる．( 111 )面では 5 ～ 30 keV ，( 311 )面

ランド」測定への適用が比較的容易であること，限界検出感

では 10～70 keV まで，必要とするエネルギー分解能と入射度が数 ppm 程度と比較的感度が高いなどの特徴も併せ持っ強度を自由に選択することができる．また， 30 keV 以下のている．

X 線を集光と高次光カットのために， X 線ミラーを挿入す

原子力機構の提供している XAFS 測定装置においては，

特集通常の XAFS 測定装置と共に，分散型の XAFS 測定装置が設置されている．分散型 XAFS 測定装置は物理的に動く機構が無いという特徴により，通常型 XAFS 測定よりも高い
時間分解能や高い相対精度が期待できる．分散型 XAFS 測定の欠点としては，異なるエネルギーの X 線が異なる光路を通ることに由来して試料ムラがスペクトルの歪として乗りやすいこと，入射光強度との同時測定が困難であるが故に光の変調がスペクトルの質を劣化させやすいということが挙げられる．
XAFS 測定は SPring8 の多くのビームラインで利用可能であるが，特に原子力機構においては，分散型 XAFS 測定による化学反応の「その場」観察に重点を置いて研究を実施しており，「その場」観察用の各種雰囲気制御装置が備え付けられている．固体/気体反応系においては，可燃性・毒性
ガス利用のためのシリンダーキャビネット(水素，炭化水
素，一酸化炭素，一酸化窒素等使用可能)，マスフローコン
トローラ(0100 cc/min)，遠隔バルブ制御装置(XAFS 測定装置と連動可能)，フロー型およびバッチ型試料セル(最大温度 700 °C ，最大圧力 10 気圧)，四重極型質量分析計，などが利用できる(6)．燃料電池などの電極触媒観察のためのポテン

図5

Pt/C 電極触媒に対する CVXAFS 測定結果．

ショスタットや液体循環装置，液相反応観察のための遠隔溶液導入装置等も常時使用可能である．また，パルスレーザーと連動しての観測も利用例がある．

りつぶした程度の粒径(～ 2 mm )を透過することができず測定例として，燃料電池電極触媒としての Pt 金属微粒子に，粒子の薄皮部分だけを評価することになる．高エネルギ

に対して，電位を走査させながら XAFS 測定を行い，各電ー X 線回折を用いると粒子全体を調べることができるた

位 に お け る Pt 金 属 の 酸 化 ・ 還 元 挙 動 を 解 明 し た 例 を 記

め，実験室系では抽出できないような不純物も同定することす(7) ．燃料電池の電極触媒には主に Pt が利用されているができる．

が，貴金属である Pt の利用量を削減するために，反応中の高エネルギー X 線回折のもう一つの使い道は 2 体相関分

Pt の構造変化を詳細に把握することが求められている．電布関数(pair distribution function, PDF)を使った局所構造解

極の評価には電位を走査しながら電流の変化を観測するサイ析である．リートベルト解析などの従来型の結晶構造解析は

クリックボルタンメトリー( Cyclic Voltammetry, CV )が良

周期的構造を仮定したモデルフィットを行うため，ドメイン

く用いられているが，電流応答は触媒反応，触媒表面への吸やグレイン，欠陥や不純物によって生じた変調構造を抽出す

着脱離，触媒自身の酸化還元等が混ざり合ったものであり，ることができない． PDF 解析では周期性を仮定せずに実験

触媒自身が電位を変化させた際にどう構造変化を起こしてい的に得られた局所構造をモデリングするために，平均構造かるかを理解することは CV のみからでは困難である．原子力らのズレを抽出することができる．特に， k 型 X 線回折計

機構では， CV 法と分散型光学系を用いた時分割 XAFS 測で得られた回折パターンでは，同一データセットを用いてリ定とを同時測定する CV XAFS 法を開発して，その問題解

ートベルト解析と PDF 解析の両方を行うことができるた

決に取り組んだ．図は，Pt/C 電極触媒に対し，1M KOH

め，平均構造からのズレを可視化することができる．

水溶液を循環させながら CV XAFS 測定を行い，その結果

PDF 解析の利用例としては，ペロブスカイト型酸化物のを示したものである．このように新たな「その場」観察手法

局所構造解析例を示す． k 型 X 線回折計で精密に測定されである CV XAFS 法を適用することで，電極触媒の反応時た PDF 解析のデータは，実空間分解能に優れているだけでにおける触媒構造を決定することができた．

なく， r ～ 200 Å ( 20 nm )程度までの原子相関を明らかにす


k 型 X 線回折計

k 型 X 線回折計は高エネルギー X 線回折実験と表面 X 線
回折実験を行っている．

ることができる．
図はセラミックコンデンサなどの電子部品にも使われている強誘電体のチタン酸バリウム(BaTiO3)を用いて PDF 解析を行った結果である(8)．それぞれの領域においてモデルフ

大型の 2 u アームを有する k 型回折計は短波長の X 線( lィッティングを行った結果，菱面体晶構造のミクロ構造領域～0.2 Å (0.02 nm))を用いても精度良く回折ピークをスキャ

から，ナノコンポジット領域を経て，ドメイン構造によるモンすることができるため，粉末 X 線回折が可能である．実ジュレーションを受けて平均構造である正方晶構造へと変化

験室系の X 線源(CuKa, l～1.5 Å (0.15 nm))では乳鉢です

していく様子が明らかになった．k 型回折計を利用した高エ

ま て り あ 第58巻 第12号(2019)
Materia Japanさにリチウムイオン電池の性能と電極表面の結晶構造との間には大きな相関があることを明らかにした．


応力・イメージング測定装置

本装置では，金属を中心とした構造材料における材料強度
それに伴う変形状態を明らかにするために，イメージング法と X 線回折法を利用し，ひずみ，応力測定，転位密度が単独，もしくは融合した実験が可能である．本装置では 70
keV までの高エネルギー X 線が利用できることから「できるだけ実機に近い大きさの材料」，「実加工中の変化」を中心に研究を行うことが可能である．
基本的には定盤上に様々なステージと 2 次元検出器を組み合わせることで前述の測定を可能としている．イメージン
グ測定では，画質重視の測定では16ビット，6 mm の空間分解能を有する 2 次元検出器，速度重視の測定では12ビット，
2000 Hz の時間分解能を有する 2 次元検出器を利用すること

図6

放射光高エネルギー X 線回折実験で得られたチタン酸バリウムの 2 体相関分布関数( PDF )． (オンラインカラー)が可能である．一方， X 線回折測定では， 30 keV 以下に対しては Pilatus 300 K，それ以上に対しては CCD カメラを利用している．また，最大荷重 5 kN，最高温度900°
Cまで制御が可能な高温負荷装置を整備しており，前述の検出器らとリンクさせすべてコンピューター制御により動作することが可

ネルギー X 線回折実験は，ドメインや欠陥，添加物を含ん能である．さらに，材料内部の特定の場所からの X 線回折だ酸化物強誘電体や超伝導体の研究に利用されている．まを測定するためのスパイラルスリットの利用が可能であた，周期的構造を仮定しない PDF 解析を利用して，並進対る(10)．

称性の欠損した微粒子やアモルファスとの共存相の構造解析に用いられることもある．

これらの装置を活用した測定例を紹介する．金属の表面に異なる性質の金属を肉盛りする溶接技術をさらに薄く，どのまた， k 型 X 線回折計を利用した表面 X 線回折実験の支

ような材料でも対応可能にするためのレーザーコーティング

援も行っている．表面 X 線回折法は，最表面の面内構造，技術の開発を目指し，レーザー照射中の金属粉の振る舞いを

表面近傍の各原子層の組成や層間距離，積層構造などを調べ

高速イメージング技術により観察した(11)．図は真空容器

るための手法である．

中のオーステナイト系ステンレス鋼 SUS304 基板上の q0.2

表面 X 線回折実験で支援しているテーマは，主として電mm チタン球にレーザーを照射したときのチタン球の時間変気化学を扱うものが中心となっており，電極/電解液(質)界化を示している．図 7(a), (b)はそれぞれ基板の温度を25度，面の構造解析が主な支援内容である．本回折計では，上で述

500 度に設定している．レーザーは IR レーザーを使用，入べた特徴を生かし，それぞれの実験に適した表面 X 線回折

熱量 4 × 104 W / mm2 で数秒間チタン球にのみ照射した．そ

実験用電気化学セルを自由度高くデザイン可能であり，従っの結果，基板の温度が低い場合には金属球が溶けているものて電極/水溶液・有機溶媒・イオン液体・固体電解質と様々の基板に広がらず，基板の温度が高い場合には基板に広がりな界面の構造解析が可能である．さらに，本回折計の制御ソだしていることがわかる．つまり，金属球が基盤に広がるた

フト(spec)から直接，電気化学測定装置を制御できるように

めには金属球が溶けていることは当然であるが，溶け広がるなっており，電気化学反応を制御しながら，界面・表面の構

基板の温度が高いことが重要であることがわかる．この結果

造がどのように変化していくかを追跡することができる．

は，レーザーコーティングの現象を解明する非常に重要な成実際の利用例として，リチウムイオン電池の正極表面の構果であり，レーザーコーティング膜表面に金属球の状態で残造解析について紹介する(9)．リチウムイオン電池は，リチウ

存するのは，膜の温度が低くなっているレーザー照射直下かムイオンが電極と電解液の間を移動する反応を利用した電池

ら外れた場所に落下した金属球であり，その理由を解明したであり，反応場である電極/電解液界面の構造が電池反応のこととなる．

反応速度に 影響を与えると予想される．そこで， SrTiO3

高エネルギー放射光 X 線は材料に対する透過力が高いた(STO)基板上に正極材料である LiNi0.8Co0.2O2 の薄膜を成膜

め，材料内部の観察も可能である．原子炉容器などの溶接構し電極として，リチウムイオン電池の充放電反応と電極表面造物の設計・施工では，溶接に伴う強度低下などを的確に防構造の関係を調べた．電極電位を変化させながら，正極の表止することが求められる．この強度低下の主要因としては，面構造とバルク構造の変化を追跡したところ，電池反応で欠陥の生成や引張り型の残留応力の発生が挙げられている．

は，電極表面に Li 層が露出していることが重要であり，ま残留応力形成の主要因の 1 つが溶接後の温度降下中の温度




特

集

.

終

わ

り

に

日本原子力研究開発機構の専用ビームラインは RI 実験棟に引き込まれている．今回，紹介した装置の多くを RI 実験棟に集約し，燃料デブリの分析に備えている．また装置の移設に加えて，硬 X 線光電子分光装置(HAXPES)や走査型 X
線顕微鏡( STXM )などの立ち上げ作業も行なっており，共用装置のラインナップを今後も充実させていく予定である．

文

図7

SUS304 基板上のチタン球のレーザー照射下での変化．基板の温度は，(a) 25度，(b) 500度．

分布であることからその温度を推察するために今回のような対流観察から温度を推察することは大変重要である．今後はこの研究成果を応力導出のための数値シミュレーションに活用することで，最適な加工条件の導出に貢献することが期待

献( 1 ) Y. Saitoh, Y. Fukuda, Y. Takeda, H. Yamagami, S. Takahashi,
Y. Asano, T. Hara, K. Shirasawa, M. Takeuchi, T. Tanaka andH. Kitamura: J. Synchrotron Rad., 19(2012), 388.
( 2 ) S. Ogawa, T. Yamada, S. Ishizduka, A. Yoshigoe, M.
Hasegawa, Y. Teraoka and Y. Takakuwa: Jpn. J. Appl. Phys.,
51(2012), 11PF02.
( 3 ) M. Ye, W. Li, S. Zhu, Y. Takeda, Y. Saitoh, J. Wang, H. Pan,
M. Nurmamat, K. Sumida, F. Ji, Z. Liu, H. Yang, Z. Liu, D.
Shen, A. Kimura, S. Qiao and X. Xie: Nature Communications
6(2015), 8913.
( 4 ) 岡本芳浩，永井崇之，塩飽秀啓放射光，31(2018), 274280.
( 5 ) T. Kobayashi, S. Suzuki, H. Shiwaku et al.,: Proc. Nucl. Sci.
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J. Hydrogen Energy 42(2017), 77497754.
( 7 ) S. Kusano, D. Matsumura, K. Asazawa, H. Kishi, T.
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ま て り あ 第58巻 第12号(2019)
Materia Japan