今宿 晋

本研究では、介在物のカソードルミネッセンス(CL)測定に関する基礎的な知見を得ることで、申請者が開発した小型CL装置を鉄鋼材料中の介在物分析に応用し、鉄鋼材料中の介在物の種類と大きさをオンサイトで迅速に判別できる小型装置を実現することを目指す。

第1ステージの研究で、LIBS法によってリチウムイオン電池材料中のリチウムを検出できることがわかったが、本研究の最終目標であるLIBS法を用いて、リチウムイオン電池材料の界面における反応機構を解明するための測定および解析手法の確立を達成するためには数多くの課題を解決しなければならない。例えば、 ① LIBSによるリチウムの測定精度の向上 ② LIBSスペクトルの解析手法の確立 ③ 測定結果から反応機構を解明するための解析方法の確立 などが挙げられるが、これらの課題については、まだ着手していない状態である。そこで、第2ステージでは、これらの3つの課題に焦点を絞って研究を行い、これらの課題に対する解決策あるいは解決するための方向性を見出すことを目的とする。

レーザー誘起プラズマ分光法(LIBS)をリチウムイオン電池材料のリチウム元素マッピングに応用して、リチウムイオン電池の界面における反応機構の解明を行う。

カソードルミネッセンス(CL)現象とは、絶縁体あるいは半導体に電子線を照射すると可視光域の発光が観測される現象である。特に、測定試料中に希土類元素が含まれる場合、強い発光を示し、その検出感度はppbレベルであると言われている。一方、導電性試料は測定できないことや、試料中の格子欠陥や歪みによっても発光が生じるため、CL法によって得られるスペクトル(CLスペクトル)の解釈が難しいといった短所がある。これらの要因で、CL法は元素分析にはほとんど利用されていなかった。しかし、申請者は希土類元素に関して検出感度が非常に高いという長所に着目して、CL法を用いた分析に挑戦している。本発表では、資源の枯渇による価格上昇により、将来リサイクルされると予想される希土類磁石を分析対象とした。希土類磁石は導体であるため、CL現象を示さない。そこで、磁石を塩酸溶液に浸漬することで、CL発光強度が高い希土類塩化物を磁石表面に形成させた。走査型電子顕微鏡の電子線銃を用いてこの試料のCL測定を行ったところ、図1に示すように、磁石中に含まれる希土類元素を検出することができ、含有量が数%であるテルビウム(Tb)やジスプロシウム(Dy)も検出することができた。TbとDyは高価であるため、リサイクルする上で非常に重要な元素であり、SEM-CL法でこれらの元素を検出できた意義は非常に大きい。 また、申請者は焦電結晶であるLiTaO3を用いた小型CL装置を開発しており(図2)、可視光の検出に市販のデジタルカメラを用いて希土類元素を含む鉱石の識別が可能であることを示した(Imashuku et al., Rev. Sci. Instrum., 84, 126105 (2013))。本発表では、この小型CL装置を用いて、2種類の希土類磁石(サマリウムコバルト磁石とネオジム磁石)の識別に挑戦した。サマリウムコバルト磁石については、上述したように磁石表面に塩化物を形成させることで、塩化サマリウムによる橙色の発光を撮影することができた。また、ネオジム磁石については、デジタルカメラに内蔵されている赤外線フィルターを除去することで、塩化ネオジムによる赤外光を検出することができた。この結果、申請者が開発した小型CL装置を用いて、発光色の違いから2種類の希土類磁石の識別することができることがわかった。小型CL装置は家電製品や産業廃棄物の集積所に持ち込んで希土類磁石を識別する簡易分析装置として、希土類資源のリサイクルに役立つと考えている。

焦電結晶上に金属製の針を立てて発生した高電圧を利用して、まず、様々なイオン源を用いてイオンビームが発生する条件を探索し、その後、得られた知見を基に、焦電結晶を用いた小型表面改質装置を製作して実用性を示す。

我々は、真空中で氷砂糖を破壊することでX線が発生することを発見し、圧電効果がこのX線発生と関連があると考えている。本研究では、まず、破壊によるX線発生が圧電効果によるものであることを圧電体の単結晶を様々な方向から真空中で破壊した際のX線を測定することで示す。その後、破壊X線発生の応用例として簡易X線撮影装置を製作する。X線源に用いる物質は、圧電定数を指標として探索する。

微弱白色X線を利用して、鉄鋼材料の被膜を評価するための小型かつ高感度のX線反射率測定装置を開発することを目指す。微弱白色X線を用いると、バックグランドノイズが低減されるだけでなく、装置構造を単純化することもできる。これらの効果によって、X線反射率測定装置の高感度化および小型化を達成する。

資源の乏しい日本においては希土類元素を確保することが課題であり、都市鉱石を含めた希土類鉱物から希土類元素を効率よく回収することは非常に重要である。そのため，鉱山やリサイクル材集積場に持ち込み、その場で微量の希土類元素を分析できる小型装置は必要不可欠である．申請者らは真空中で焦電結晶に温度変化を与えることで発生する電子線を希土類鉱石に照射し，発生する可視光を検出する小型カソードルミネッセンス(CL)装置を開発した(対象特許)．この小型CL装置は，テルビウム(Tb)などの発光強度の大きい希土類元素であればppmレベルの濃度で検出できる．しかしながら，この小型CL装置を携帯用の希土類分析装置として実用化するためには，電子線の高強度化およびデータの再現性が必要となる．そこで，本課題ではこれらの問題点を解決し，実用化を目指す．具体的な研究項目は①真空度の制御による電子線の高強度化②焦電結晶の温度変化率の制御による電子線の安定化③測定温度の低温化によるカソードルミネッセンス発光強度の増大，である．