第4回SPring-8放射光利用技術研究会/SPRUC企業利用研究会/
第95回SPring-8先端利用技術ワークショップ「SPring-8-Ⅱに向けたビームライン再編案およびコヒーレントX線回折イメージング」
2023年11月16日

1• Dr Kenji Ohwada, Dr. Kento Sugawara, Mr. Ayumu Shimada,Dr. Tetsuro Ueno, Dr. Akihiko Machida, Dr. Kenji Ishii,
Dr. Tetsu Watanuki (QST)• Mr. Nagise Fukushima, Mr. Kosuke Shirakawa,Prof. Sangwook Kim, Prof. Yoshihiro Kuroiwa (Hiroshima Univ.)• Prof. Shintaro Ueno, Prof. Ichiro Fujii, Prof. Satoshi Wada(Yamanashi Univ.)• Prof. Ryota Sato, Prof. Toshiharu Teranishi (Kyoto Univ.)• Prof. Miho Yamauchi (Kyushu Univ./Tohoku Univ.)• Dr. Koichi Momma (NMNS)• Dr. Hidenori Toyokawa (QST/JASRI)• Prof. Shinya Tsukada (Shimane Univ.)2

3例：300 nmサイズ一粒子

３次元外形

コヒーレントX線
非破壊＆環境下計測
分解能~10 nm

電子密度
結晶単相

断面

100 nm

K. Ohwada. K. Sugawara T. Abe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 58, SLLA05 (2019).

歪み
4

~ 10 mm

~ 600 mm

電子軌道断面小さな光源を遠方で~ 1 mm

©RIKEN
第3世代光源で実用化
波面に乱れがあるため、材料の構造・欠陥の識別困難

10 m

100 m

1 km

距離

材料の構造・欠陥等を識別可能

5

X線領域では良い結像レンズがない

散乱強度分布を記録

コヒーレントＸ線を照射

回折パターン
（スペックル）

光学顕微鏡像位相回復計算再構成画像

J. Miao, Nature 400, 342 (1999).

6

実空間𝑟𝑟⃗

逆空間𝐾𝐾

初期値のみ振幅&位相は乱数
スタート

𝑖𝑖𝑛𝑛1𝑟𝑟⃗

Fourier変換

実空間条件
𝑖𝑖𝑖𝑖1𝑟𝑟⃗ = �𝑖𝑖𝑖𝑖1𝑟𝑟⃗ − 𝜷𝜷 × 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑡𝑡𝑡𝑟𝑟⃗
𝑜𝑜𝑜𝑜𝑡𝑡𝑡𝑟𝑟⃗ ※拘束条件を２つ抱える

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑡𝑡𝑡𝑟𝑟⃗

逆Fourier変換※ 2 ≤ 𝑥𝑥, 𝑦𝑦, 𝑧𝑧 ≤ 2 (サポート内)
𝜷𝜷は1付近の正の数
𝑁𝑁

3𝑁𝑁

J. R. Fienup, Appl. Opt. 21, 2758 (1982).

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑡𝑡𝑡𝐾𝐾
逆空間条件
𝑖𝑖𝑖𝑖2𝐾𝐾 =𝐼𝐼𝐾𝐾

Q

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑡𝑡1𝐾𝐾
𝑜𝑜𝑜𝑜𝑡𝑡1𝐾𝐾※観測強度𝑰𝑰𝑲𝑲

𝑖𝑖𝑖𝑖2𝐾𝐾

7

光子計数型２次元X線検出器

I. Robinson et al., Nature Materials. 8, 291-298 (2009).

位相回復

スペックル

外形＆サイズω
集光X線

cross section2θ
X線顕微鏡
微粒子
（ここではBaTiO3）
SiNメンブレン位相（歪）粒子を表面から裏面まで非破壊可視化

K. Ohwada. K. Sugawara T. Abe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 58, SLLA05 (2019).

8

1–2 deg.

Ewaldの反射球

9

ブラッグ回折＋エッジによる干渉 ⇒ 外形

ブラッグ回折＋歪による変調⇒ 位相項で検出

結晶方位の異なる粒子集合体内部、或いは、２相共存の１相、マトリックス内粒子の観察10歪み（位相）の意味
欠陥の入った結晶

綺麗な結晶

歪みの入った結晶a

格子定数(+a/2)+a/4-a/4+a/40-a/4(-a/2)
赤青の色は、一様格子に対する変位の絶対値に対応しています（循環色一周で観察格
子面間隔の一つ分の変位）。従って、位置微分が歪みになります。定量的です。
11国内初導入→2022年より供用化

大型放射光施設
JAEA専用ビームライン
BL22XUに設置する
QST専用装置12

分極ドメイン→誘電特性

Hamasaki
J.Phys.Soc.Jpn.
64 3660 (1995)

ドメイン構造が、粒子サイズ(数～数100 nm)、結晶表面・粒界の圧力・応力に影響される。
セラミクスの内部応力モデル

非破壊観察：t ≦ 数10 nm(TEM)
8 nm粒子→分極の大きさ、誘電特性の変化
Buessem et al., J.Am.Cera.Soc. 49 34 (1966)

Polking et al., Nat.Mater. 11 703 (2012)

数10〜数100 nmサイズ粒子の外形及び内部歪・ドメイン構造の非破壊可視化→手法開発が必要。
13

内部歪の可視化

興味あるサイズ領域を観測可能
N. O, K. Ohwada. K. Sugawara et al., Jpn. J. Appl. Phys. 60, SFFA07 (2021).

14

incident
x-rayssamplevac. chamberscattered
x-rays

汎用大型回折計京都大学
寺西先生ご提供
キューブ形状
Pd結晶
N. O, K. Ohwada. K. Sugawara et al., Jpn. J. Appl. Phys. 60, SFFA07 (2021).

15

X線のコヒーレンスを乱すことなく、粉末試料を局所加熱可能。

500 nm級BaTiO3粉末（BT-05、堺化学）を担持真空槽に装填して使用。

N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SN1008 (2022).

16

BaTiO3ナノ結晶 500 nmサイズ一粒子の強誘電相転移

N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SN1008 (2022).

17

ナノ結晶

画像再構成

常誘電相一粒子に生じる線状の歪 ≠ 90度ドメイン境界
Q

200C

473 K

複数方向(d,f)から見える線状の歪→転位
N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SN1008 (2022).

18

ナノ結晶
Q

シミュレーションとの比較
Q

200C

常誘電相ドメイン無473 K
200T
002T

強誘電相ドメイン有313 K

 500 nm級BaTiO3一粒子の強誘電相転移を観察した。
 常誘電相のBaTiO3一粒子の歪分布を非破壊可視化した。
 90度ドメインは、常誘電相にて生じた転位を起点に発達。
N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SN1008 (2022).

19

セラミクス中約5000粒のうち1粒の構造相転移

200T
正方晶相＠303 K↓
立方晶相＠493 K002T 200

CN. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 62, SM1022 (2023).

20

画像再構成セラミクス中ひと粒の石垣様形状を可視化
Q
線状の歪(青矢印) ≠ 90度ドメイン境界
急峻な歪分布→粒界すべり

200C

粒界すべり

Q

粒界すべり

線状の歪
N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 62, SM1022 (2023).

21

ドメイン構造解析

立方晶相の線状歪→90度ドメイン境界の名残り
立方晶相

002T

正方晶相
200T

モデル計算

Oshime et al. 2022 JJAP 61 SN1008・立方晶相の内部歪はドメイン境界由来
・内部歪は粒界すべりによる応力で保持
N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 62, SM1022 (2023).

22

ブラッグコヒーレントX線回折イメージング法

K. Ohwada. et al., Jpn. J. Appl. Phys. 58, SLLA05 (2019).
N. O, K. Ohwada. K. Sugawara et al., Jpn. J. Appl. Phys. 60, SFFA07 (2021).
N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SN1008 (2022).
N. O, K. Ohwada. A. Machida et al., Jpn. J. Appl. Phys. 62, SM1022 (2023).

23

24