Himedia 的新应用 - 成功测量高压下V体育官网 X 射线全息术 - 特定元素周围原子位置的三维可视化 -

爱媛大学／广岛大学／V体育／广岛市立大学／高能加速器研究组织／高亮度光科学研究中心／岛根大学／奈良科学技术大学

爱媛大学高等研究院全球动力研究中心（GRC）石松直树教授、广岛大学先端科学与工学研究科詹教授、V体育物理与工学部教授新惠博士、中岛伸夫副教授、木村幸二副教授、教授组成的研究团队林吉和和广岛市立大学信息科学研究生院副教授八方直久副教授率先成功测量了高压下的荧光 X 射线全息术。

V体育官网X射线全息术是一种可以再现特定元素周围三维原子图像的结构分析方法，并且作为满足“在原子水平上可视化具有特征功能的材料的哪些部分参与这些功能”的需求的实验技术而被广泛应用。但是，由于V体育官网X射线全息术固有的信号较弱，迄今为止还无法在高压下进行测量。

该研究小组通过构建一个测量系统，将大型同步辐射装置 SPring-8 的强大的下一代 X 射线和高压发生器与纳米多晶金刚石 (NPD) 相结合，成功地在超过 100,000 个大气压的高压下获得了清晰的全息图像。未来，我们期望在材料科学中得到广泛的应用，例如观察压力诱导的超导性以及通过添加微量元素来寻找具有独特物理性质的材料。此次成功也是GRC开发的NPD新应用范例的重要成果。

该研究成果于7月18日发表在英国国际科学期刊《Journal of Synchrotron Radiation》上。

研究成果要点

〇 V体育官网X射线全息术是一种结构分析方法，可将特定元素周围的三维原子排列可视化。然而，由于信号微弱，无法在高压下进行测量。
〇〇我们构建了一个测量系统，该系统将来自大型同步加速器辐射设施 SPring-8 的强大下一代 X 射线、金刚石砧室和纳米多晶金刚石 (NPD) 相结合，首次成功地在高压下进行了测量。
〇 来自 NPD 的衍射 X 射线被 X 射线吸收滤光片去除，而 SrTiO₃我们在高达 133 GPa 的压力下（1 GPa 约为 10,000 个大气压）都可以清晰地观察到单晶的全息图像。
〇顺电钛酸锶₃我们可视化了（钛酸锶）单晶样品中 Sr 周围的原子排列以及压力导致的压缩过程。
〇​有望应用于与材料科学相关的研究课题，例如压力引起的结构相变前兆现象的观察以及控制原子间距离时掺杂元素的行为。
〇〇这是使用多晶碳化物材料NPD的新示例。

摘要

爱媛大学高等研究院全球动力研究中心（GRC）石松直树教授、广岛大学先端科学与工学研究科詹教授、V体育物理与工学部教授新辉先生、中岛伸夫副教授、木村幸二副教授、教授组成的研究团队广岛市立大学信息科学研究生院的 Yoshikazu Hayashi 和副教授 Naohisa Happo 首次成功测量了高达 133 GPa 的高压下的荧光 X 射线全息术（*1）。

V体育官网X射线全息术是一种出色的结构分析方法，可以可视化特定元素周围的三维原子排列。该方法被广泛用于满足在原子水平上可视化功能材料的哪些部分参与所获得的功能的愿望。通过将V体育官网X射线全息术与可控制原子间距离的压力装置相结合，有望应用于寻找压力诱导的超导材料以及高压下构成行星内部的材料，原子图像的重建将变得更加信息丰富。

然而，由于V体育官网X射线全息术的信号较弱，迄今为止还无法在高压下进行测量。因此，该研究小组构建了一个测量系统（图1），该系统将来自大型同步加速器辐射装置SPring-8（BL37XU）（*2）的强大下一代X射线、高压发生器金刚石砧室（*3 DAC）和纳米多晶金刚石（*4 NPD）相结合，首次成功地在高压下进行测量。未来，我们预计该方法将在材料科学中得到广泛的应用，例如观察压力引起的结构相变的前驱现象以及控制原子间距离时掺杂元素的行为。爱媛大学全球动力学研究中心（GRC）作为日本高压科学的中心中心，致力于高压下新材料的合成和新研究方法的开发，这一成果是GRC开发的NPD运用新范例的重要成果。

这项研究成果发表在英国国际科学杂志《''。

详细信息

研究背景

材料元素成分的轻微变化通常会改变其材料特性。近年来，纳米技术通过原子水平的制备生产出了优异的功能材料。另一方面，为了了解这些材料的特性，或者改善它们的功能和性能，人们越来越希望在原子水平上阐明材料的哪些部分涉及所获得的特性和功能。满足这些需求的同步辐射实验方法包括扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和V体育官网X射线全息术，它们可以针对任何元素。 EXAFS可以获得沿径向投影的原子排列，即以X射线吸收元件为中心的一维原子排列。相比之下，V体育官网X射线全息术具有提供以X射线吸收元素为中心的三维原子排列的优异特征。通过将可以自由控制原子间距离的高压与V体育官网X射线全息术相结合，我们可以在原子水平的结构可视化中添加一个称为“压力”的新参数，V体育官网X射线全息术应该成为材料科学和凝聚态物质研究中更加重要的方法。

研究内容和结果

然而，V体育官网X射线全息术需要从样品中提取仅为V体育官网X射线强度约01%的微弱散射信号，因此在高压下进行测量并不容易。这是因为高压发生器在常压下的实验中会产生不必要的干扰（噪音）。例如，通常用作高压发生器 DAC 材料的单晶金刚石，使用来自样品的V体育官网 X 射线作为光源生成伪科塞尔线（*5，图 2a）。这会产生强烈的噪声，完全抵消样品中的全息图像，从而无法在高压下进行V体育官网 X 射线全息测量。

因此，该研究小组尝试使用纳米多晶金刚石（NPD）作为砧座来去除伪科塞尔线。如图2b所示，顺电单晶样品SrTiO₃(*6)全息图像。在此全息图像中，SrTiO₃还观察到源自样品的单晶性的科塞尔线(*5)。另一方面，NPD 不会产生伪科塞尔线，但由于其多晶性质，它会在样品的全息图像上叠加粉末衍射图案 (*7)。为了消除这种噪声，将钇 (Y) 金属箔放置在二维探测器前面作为粉末衍射图样消除滤波器（图 1）。结果，如图2c和图2d所示，样品SrTiO₃的科塞尔线在高达133 GPa的高压下。此时，我们意识到通过摇动金属箔来提高金属箔的均匀性对于消除噪声也很重要。

在最高压力为133 GPa时获得的全息图像中，观察到随着施加压力晶格收缩而发生连续变化。图3显示了13 GPa下Sr原子周围的原子排列示例，这是通过将获得的全息图扩展为全局全息图图像并对其进行傅立叶变换而获得的。这样，我们成功地在高压下清晰地观察到了Ti原子和其他Sr原子在一个Sr周围的排列。

NPD是一种多晶碳化物材料，不会产生天然单晶金刚石的噪声特性，因此在高压下的X射线吸收光谱测量中表现出优异的特性。因此，它被用于世界各地主要的同步辐射设施，如SPring-8和欧洲同步辐射设施（ESRF）。这些结果可以说证明NPD优异的材料特性也可以用于V体育官网X射线全息术的实验，V体育官网X射线全息术是相同的X射线光谱技术之一。

未来发展

预计它将在材料科学中具有广泛的应用，例如观察与超导态出现相关的压力诱导结构相变的前兆现象，以及控制有助于特征物理性质的极少量添加元素（掺杂元素）的原子间距离时的行为。这种高压X射线V体育官网全息测量的成功，使我们能够进一步发展我们之前的“在原子水平上可视化材料的哪些部分参与所获得的性质和功能”的研究目标，并满足“材料的局部结构发生什么样的变形才能体现其功能？”的更复杂的需求。未来，如果我们能够将可测量的压力范围扩大到100 GPa或更高的超高压，则可能可以观察到在正常压力下无法想象的原子级结构现象，例如压力诱导的超导材料和行星内部组成材料的复制。

此结果基于深地地球动力学研究中心、爱媛大学高级研究所 Naoki Ishimatsu、Toru Niina、Tetsuo Irifune、广岛大学尖端科学与工程研究生院 Zhan Xinhui、Nobuo Nakajima、V体育物理与工程学院 Koji Kimura、Koichi Hayashi、广岛市立大学 Naohisa 信息科学研究生院Happo，熊本大学工业纳米材料研究所 Halubai Sekhar，高能加速器研究机构 (KEK) 材料结构科学研究所 Tomoko Sato，高亮度光子科学研究中心 Naoki Kawamura、Kotaro Higashi、Hiroki Sekizawa、Hirokazu Kadobayashi、Hiroo Tajiri，兵库大学研究生院 Ritsuko Eguchi，跨学科基础科学研究所，冈山大学Yoshihiro Kubozono，岛根大学材料与能源学部 Shinya Hosokawa，奈良科学技术大学尖端科学技术研究生院 这是与 Tomohiro Matsushita 的联合实验。

术语表

※1V体育官网X射线全息术
全息术是一种使物体三维可视化的光学技术，可用于日常事务，例如防止伪造纸币和信用卡。物体散射的光（物体波）与未散射而透过的光（参考波）之间的干涉图案的记录称为全息图，当用光照射所得全息图时，可以再现三维图像，就好像原始物体在那里一样。V体育官网X射线全息术是该技术在X射线上的应用，以在原子水平上重建图像。当从V体育官网X射线发射原子作为球面波发射的V体育官网X射线（参考波）被周围原子散射为物波时，参考波和物波之间的干涉图案变成全息图像。

※2大型同步辐射装置SPring-8
它是位于兵库县播磨科学园区城、由理化学研究所拥有的大型同步辐射设施，可产生世界上最高性能的同步辐射。用户支持由高强度光子科学研究中心 (JASRI) 提供。 SPring-8这个名字来自Super Photonring-8GeV。 SPring-8 正在利用同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。

※3金刚石砧座
一种通过将样品夹在上下一对菱形之间来产生高压的装置。金刚石尖端对样品加压的平坦部分称为刮匙，通过选择刮匙的直径，可以进行从数十万个大气压到数百万个大气压的高压实验。利用金刚石对可见光和X射线透明的特性，广泛应用于同步辐射实验中的各种光学测量和高压测量。

※4纳米聚晶金刚石
爱媛大学GRC和住友电工联合研究开发出的超高硬度纳米多晶金刚石（NPD）。也称为“希米迪亚”。由约10纳米（1纳米为百万分之一毫米）紧密结合的金刚石颗粒组成，被称为世界上最硬的金刚石。还用作X射线吸收和中子衍射高压实验中优良的砧材料。

※5科塞尔线和伪科塞尔线
如果样品是具有长周期结构的单晶，则散射原子呈周期性排列，因此特定方向的全息图像将是参考波与物波之间的干涉满足布拉格条件的全息图像，并且将测量到强度比V体育官网X射线全息图强度高几十到几百倍的衍射X射线。这些衍射 X 射线被记录为线性图像，称为科塞尔线。与科塞尔线类似，赝科塞尔线是以发散X射线为光源（参考波）的衍射图像，但当发散X射线源与样品明显分离时，称为赝科塞尔线。用于高压下X射线V体育官网全息术，SrTiO₃来自样品的V体育官网X射线作为参考波，其正上方的单晶金刚石砧产生物波，其周期性产生伪科塞尔线。

※6钛酸锶₃
钛酸锶。著名的顺电样品之一。它在室温和压力下形成立方晶体，但在低温或高压下发生相转变为四方晶体。由于它能产生高质量的单晶，因此被广泛用作形成薄膜的基材。基于这些特性，选择它作为本次实验的样本。

※7粉末衍射图
众所周知，当X射线入射到诸如原子规则排列的晶体之类的物质时，原子散射的X射线会相互干扰，并在特定方向上相互增强或减弱。这是由于 X 射线的波动性质。在各种晶体取向的粉末样品和多晶样品中，当X射线衍射时，由于晶体取向的随机性，得到环形衍射图像。这成为粉末衍射图案。

论文信息

发表于：同步辐射杂志
标题：高压条件下的 X 射线V体育官网全息术
作者：詹新辉、石松直树、木村浩二、八方直久、Halubai Sekhar、佐藤智子、中岛伸夫、河村直美、东光太郎、关泽大、角林裕和、江口律子、久保园义博、田尻宏雄、新也细川、松下智博、神明彻、入船哲夫、林浩一
DOI：101107/S1600577525005284
网址：

研究补助金

日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究/变革领域研究补助金 (A) “超有序结构创造的凝聚态科学”，项目编号：20H05878、20H05879、20H05881、20H05884、21H05567、 21H05569, 23H04117

日本科学技术振兴机构 (JST)“促进科技创新的大学奖学金创建项目”，项目编号：JPMJFS2129

SPring-8通用作业，作业编号：2022A1011、2022B1022、2023A1022、2023B1520、2024A1277

联系信息

研究相关

爱媛大学高等研究院地球深部动力学研究中心
石松直树教授
电话：089-927-9658​电子邮箱：ishitsunaokiuu[at]ehime-uacjp

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木村浩二副教授
电话：052-735-5362 电子邮件：kimurakoji[at]nitechacjp

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