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論文

全反射高速陽電子回折法(TRHEPD)

深谷 有喜

陽電子科学, (13), p.3 - 10, 2019/09

全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法は、物質表面や2次元物質の原子配置を決定するための表面構造解析手法である。陽電子はプラスの電荷を持つため、物質表面に入射する際、斥力を受ける。特にすれすれ入射の場合には全反射が起こり、その物質表面への侵入深さは原子1個分の厚みにしか満たない。このことがTRHEPD法を最表面に敏感な構造解析手法たらしめる。本稿では、電子ビームの場合との比較を交えながら、TRHEPD法の原理と特徴について紹介する。

論文

Total-reflection high-energy positron diffraction (TRHEPD) for structure determination of the topmost and immediate sub-surface atomic layers

深谷 有喜; 河裾 厚男*; 一宮 彪彦*; 兵頭 俊夫*

Journal of Physics D; Applied Physics, 52(1), p.013002_1 - 013002_19, 2019/01

 パーセンタイル:100(Physics, Applied)

最近、物質の表面構造を調べることを目的に、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を開発した。TRHEPD法は反射高速電子回折(RHEED)の陽電子版である。入射する視射角に依存して、陽電子は物質表面で全反射もしくは、表面下数層に徐々に侵入する特徴がある。したがって、深いバルクからの影響なしに、最表面およびその直下の構造についての情報を得ることができる。本レビュー論文では、TRHEPDの特徴と固体表面および2次元物質の構造決定に適用した例について報告する。

論文

全反射高速陽電子回折によるゲルマネンの構造決定

深谷 有喜

陽電子科学, (11), p.41 - 44, 2018/09

本研究では、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)を用いて、ゲルマニウムの2次元原子シートであるゲルマネンの原子配置を決定した。回折強度の定量解析から、Al(111)基板上に合成したゲルマネンは、先行研究で予測されたような単位格子中2個のGe原子が突出した対称的なバックリング構造ではなく、Ge原子1個だけが突出した非対称な構造をとることがわかった。

論文

Structure analysis of two-dimensional atomic sheets by total-reflection high-energy positron diffraction

深谷 有喜

e-Journal of Surface Science and Nanotechnology (Internet), 16, p.111 - 114, 2018/04

最近、2次元トポロジカル絶縁体等の新奇電子・スピン物性の発現が期待される、IV族元素を用いた2次元原子シートの創製が様々な基板表面上で試みられている。それらの基板上の原子シートは、基板元素との結合性や相互作用を通して様々な原子配置をとりうる。特に、原子シートのバックリング配置や基板との間隔などの構造パラメータは、その物性をつかさどる重要な因子である。本レビュー論文では、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)を用いた金属基板上のグラフェン,シリセン,ゲルマネンの構造決定について報告する。

論文

ゲルマニウム単原子シート「ゲルマネン」の原子配置の非対称化

深谷 有喜; 松田 巌*

物性研だより, 57(2), p.7 - 8, 2017/07

最近我々は、全反射高速陽電子回折法を用いて、アルミニウム基板上のゲルマネン(グラフェンのゲルマニウム版)の構造を明らかにした。ゲルマネンは新奇スピン物性の発現が期待される新材料である。本稿では、ゲルマネンが理論予測に反して非対称なバックリング構造を形成することを報告する。

論文

Research progress at the Slow Positron Facility in the Institute of Materials Structure Science, KEK

兵頭 俊夫*; 和田 健*; 望月 出海*; 木村 正雄*; 峠 暢一*; 設楽 哲夫*; 深谷 有喜; 前川 雅樹*; 河裾 厚男*; 飯田 進平*; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 791(1), p.012003_1 - 012003_8, 2017/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:9.52

本論文では、高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所(IMSS)低速陽電子実験施設(SPF)で得られた最近の成果を報告する。全反射高速陽電子回折(TRHEPD)実験では、ルチル型TiO$$_{2}$$(110)($$1times2$$)表面、Cu(111)およびCo(0001)基板上のグラフェン、Al(111)基板上のゲルマネンの構造を明らかにした。ポジトロニウム負イオン(Ps$$^{-}$$)ステーションでは、Ps$$^{-}$$の共鳴状態の観測に成功した。ポジトロニウム飛行時間測定(Ps-TOF)ステーションでは、ポジトロニウムの生成効率の増大とポジトロニウム生成・放出過程におけるエネルギー損失を観測した。陽電子ビームラインにパルスストレッチングセクションが導入され、陽電子ビームのパルス幅が1.2$$mu$$sから20msまで可変になった。

論文

全反射高速陽電子回折による金属表面上のグラフェン・シリセンの構造決定

深谷 有喜

表面科学, 37(11), p.547 - 552, 2016/11

本稿では、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法による金属基板上のグラフェンとシリセン(グラフェンのシリコン版)の構造決定について紹介する。グラフェン(シリセン)におけるバックリング(座屈構造)の有無や基板との間隔は、基板上に吸着したグラフェン(シリセン)の物性の起源を調べるうえで重要な因子である。本研究では、TRHEPDの表面敏感性を利用して、CoとCu基板上のグラフェンとAg基板上のシリセンにおけるこれらの構造パラメータを決定した。

論文

Asymmetric structure of germanene on an Al(111) surface studied by total-reflection high-energy positron diffraction

深谷 有喜; 松田 巌*; Feng, B.*; 望月 出海*; 兵頭 俊夫*; 社本 真一

2D Materials (Internet), 3(3), p.035019_1 - 035019_7, 2016/09

 被引用回数:20 パーセンタイル:16.62(Materials Science, Multidisciplinary)

本研究では、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を用いて、アルミニウム基板上のゲルマネン(グラフェンのゲルマニウム版)の構造決定を行った。測定した回折スポット強度の非対称性から、ゲルマネンの構造が$$<110>$$方向に対して鏡面対称性を持たないことがわかった。動力学的回折理論に基づく強度解析から、単位格子当たり1個のゲルマニウム原子が真空側に突出する非対称な構造であることがわかった。これは、これまでに提案されている2個のゲルマニウム原子が突出した対称的な構造モデルとは異なる。これまでに報告された他の実験結果は、今回決定した構造モデルにより説明可能である。

論文

全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法によるルチル型TiO$$_{2}$$(110)(1$$times$$2)表面の構造決定

望月 出海*; 有賀 寛子*; 深谷 有喜; 和田 健*; 前川 雅樹*; 河裾 厚男*; 設楽 哲夫*; 朝倉 清高*; 兵頭 俊夫*

表面科学, 37(9), p.451 - 456, 2016/09

本論文では、30年間構造が確定しなかった、触媒の担体として知られるルチル型の二酸化チタン表面の構造解析について報告する。全反射高速陽電子回折(TRHEPD)を用いて、陽電子の回折スポット強度の視射角依存性の測定および、動力学的回折理論に基づく強度解析を行った。その結果、最近Wangらが理論的に提唱した構造モデルを用いると実験結果をよく説明できることがわかった。

論文

全反射高速陽電子回折法による最表面構造解析の新展開

深谷 有喜

Isotope News, (746), p.10 - 14, 2016/08

物質の表面は、物質と真空との界面であり、原子, 分子, クラスターなどと相互作用する場である。また近年では、物質の表面はナノテクノロジーを研究する重要な舞台となっている。表面の原子配置は、表面エネルギーを下げるように物質内部(バルク)のものから変位し、バルクとは異なった新たな構造を形成する。そのため、表面の構造物性を研究するには、バルクからの情報をできるだけ排除し、表面だけの情報を引き出さなければならない。このように、実験プローブには極めて高い表面敏感性が要求される。我々は、表面研究における陽電子ビームの有用性を実証するために、様々な表面構造の解析に全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を適用してきた。最近、加速器を用いて発生させた高強度の陽電子ビームを利用することにより、この手法の高度化に成功している。本稿では、TRHEPD法の最近の進展について紹介する。

論文

Spacing between graphene and metal substrates studied with total-reflection high-energy positron diffraction

深谷 有喜; 圓谷 志郎; 境 誠司; 望月 出海*; 和田 健*; 兵頭 俊夫*; 社本 真一

Carbon, 103, p.1 - 4, 2016/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:38.68(Chemistry, Physical)

本研究では、全反射高速陽電子回折法を用いて、貴金属および遷移金属基板上のグラフェンの構造を調べた。動力学的回折理論に基づく構造解析から、CuおよびCo基板上のグラフェンの高さをそれぞれ3.34${AA}$および2.06${AA}$と決定した。Cu基板上のグラフェンの高さはグラファイトの層間距離に近く、グラフェン・Cu基板間の相互作用は非常に弱いことがわかった。一方、Co基板上のグラフェンの高さは、Cu基板上のものに比べ1${AA}$以上も低く、Co基板上のグラフェンは基板と強く相互作用していることが実験的に確かめられた。

論文

Structure determination of the rutile-TiO$$_{2}$$(110)-(1$$times$$2) surface using total-reflection high-energy positron diffraction (TRHEPD)

望月 出海*; 有賀 寛子*; 深谷 有喜; 和田 健*; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 設楽 哲夫*; 朝倉 清高*; 兵頭 俊夫*

Physical Chemistry Chemical Physics, 18(10), p.7085 - 7092, 2016/03

 被引用回数:8 パーセンタイル:35.16(Chemistry, Physical)

本研究では、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)法を用いて、30年来議論が続くルチル型の二酸化チタン表面の原子配置を決定した。陽電子の反射強度の入射角依存性を測定し、様々な構造モデルを仮定した計算結果との比較を行った。構造解析の結果、OnishiとIwasawaが提唱した構造モデルに最表面の酸素原子の非対称性を取り入れることにより、実験結果をよく説明できることがわかった。

論文

全反射高速陽電子回折法(TRHEPD)による最表面構造解析

深谷 有喜

Journal of the Vacuum Society of Japan, 59(2), p.35 - 39, 2016/02

全反射高速陽電子回折(TRHEPD)は、物質表面で起こる陽電子の全反射現象を利用した表面敏感な構造解析手法である。陽電子に対する物質のポテンシャルは電子とは逆のプラスとなるため、陽電子ビームを物質表面にすれすれの角度で入射させると全反射が起こる。全反射条件下での陽電子ビームの侵入深さは数${AA}$程度であるため、全反射した陽電子ビームは物質の最表面のみの情報を含む。また全反射の臨界角をわずかに超えた視射角で入射した場合、陽電子ビームは表面直下まで侵入することができる。したがって、入射陽電子ビームの視射角を適切に調整することにより、物質内部の情報を含むことなく、最表面から表面直下までの構造の情報を選択的に得ることができる。このため、TRHEPD法は物質表面や物質表面上に保持された二次元原子層物質の構造決定に非常に有用となる。本論文では、TRHEPD法の表面敏感性と、グラフェンのシリコン版であるシリセンの最近の構造解析の成果について報告する。

論文

ポジトロンビーム回折法による表面研究

深谷 有喜; 兵頭 俊夫*

放射線と産業, (139), p.13 - 17, 2015/12

物質の諸性質は構成原子の種類と配置で決まる。バルクの物質の原子配置はX線回折で確定され、その他の機能や性質はそれぞれ適切な他の手段で測定される。すなわち、構造解析と機能解析は物質研究の独立な二本柱である。固体表面についても、構造解析と電子状態や機能の解析は独立な二本柱のはずであるが、残念ながら、構造解析の決定版が存在しない。X線や電子線の回折は、バルク部分も同時に見てしまうので、その部分の構造も同時に決めなくてはならない難しさがある。これに対して、電子の反粒子である陽電子の回折は、最表面と表面直下双方の原子配置に敏感であり、しかも、表面から注目する深さより深い領域からのバックグラウンドを含まないという、際だった特徴がある。このため、表面科学における二本柱のうち、構造解析を担う決定版となる可能性が高い。本稿では、全反射高速陽電子回折(TRHEPD)を中心に、表面研究における陽電子回折法の有用性を議論する。

論文

Charge-to-spin conversion and spin diffusion in Bi/Ag bilayers observed by spin-polarized positron beam

Zhang, H. J.; 山本 春也; Gu, B.; Li, H.; 前川 雅樹; 深谷 有喜; 河裾 厚男

Physical Review Letters, 114(16), p.166602_1 - 166602_5, 2015/04

 被引用回数:23 パーセンタイル:11.79(Physics, Multidisciplinary)

スピン偏極陽電子ビームを用いた最表面ポジトロニウム消滅過程の観測を通じて、Bi/Ag二層膜中のラシュバ-エデルシュタイン効果に伴う電荷-スピン変換の直接検出に初めて成功した。同一の通電方向に対して、BiとAgの表面では逆のスピン偏極が得られた。スピン偏極率は、膜の厚さが増すとともに指数関数的に減少することが知られた。以上の結果は、Bi/Ag界面で生成したスピンが、両層を通じて最表面に伝導・蓄積することを示している。

論文

Doppler-broadening of annihilation radiation spectroscopy under high magnetic field using a longitudinally spin-polarized slow positron beam

前川 雅樹; Zhang, H.; Li, H.; 深谷 有喜; 河裾 厚男

JJAP Conference Proceedings, Vol.2 (Internet), p.011305_1 - 011305_7, 2014/11

A spin-polarized positron beam generated using a $$^{22}$$Na source, solid neon moderator and magnetic lens was developed. The beam diameter, beam flux and spin polarization were 0.5 mm, 1$$times$$10$$^5$$ e$$^+$$ s$$^{-1}$$ and 27 %, respectively. An electromagnet system, which can generate $$pm$$1 T magnetic field, was also developed and equipped with the beam apparatus. Using this apparatus, Doppler broadening of annihilation radiation spectra under a high magnetic field were measured for bulk polycrystalline Fe, Co and Ni samples and a thin film Co$$_2$$MnSi sample. These spectra showed a clear asymmetry upon field reversal.

論文

Total reflection high-energy positron diffraction; An Ideal diffraction technique for surface structure analysis

深谷 有喜; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 望月 出海*; 和田 健*; 設楽 哲夫*; 一宮 彪彦*; 兵頭 俊夫*

Applied Physics Express, 7(5), p.056601_1 - 056601_4, 2014/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:35.48(Physics, Applied)

本研究では、全反射条件下におけるSi(111)-$$7times7$$再構成表面からの反射高速陽電子回折(RHEPD)パターンが、結晶内部のバルク原子からの寄与を含まないことを報告する。このことは、バルク原子を含む通常の試料の測定においても、最表面原子の情報のみを反映した回折パターンを観測可能であることを意味する。

論文

Reflection high-energy positron diffraction study on the first surface layer

深谷 有喜; 前川 雅樹; 望月 出海*; 和田 健*; 兵頭 俊夫*; 河裾 厚男

Journal of Physics; Conference Series, 505, p.012005_1 - 012005_6, 2014/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:37.67

反射高速陽電子回折(RHEPD)は、陽電子の全反射が存在するため、最表面を研究する上で非常に有力な手法である。全反射条件下では、陽電子の結晶表面への侵入深さは約0.2nmと見積もられる。この深さは、1-2原子層分に相当する。したがって、RHEPDは表面敏感であり、最表面の原子配置を精度よく決定することができる。本講演では、$$^{22}$$Na線源を用いたRHEPD実験により明らかにした2つの表面系を取り上げる。1つはSi(111)-$$8times2$$-In表面でありロッキング曲線の解析から、基底構造がヘキサゴン構造から構成されることを明らかにした。もう1つはSi(111)-$$sqrt{21}timessqrt{21}$$-Ag表面であり、パターン解析から最表面のAg原子の配置を明らかにした。最近、我々は高エネルギー加速器研究機構(KEK)の低速陽電子実験施設にて、電子線形加速器を用いて発生した高強度・高輝度陽電子ビームを利用した新たなRHEPD装置を開発した。全反射条件下におけるSi(111)-$$7times7$$表面からの微弱な分数次の回折スポットの観測に成功した。この新たなRHEPD装置を用いた最表面構造解析の展開についても報告する。

論文

Spin polarizations of positron beams generated using electrostatic and magnetic transportation systems with $$^{68}$$Ge and $$^{22}$$Na sources

前川 雅樹; 深谷 有喜; Zhang, H.; Li, H.; 河裾 厚男

Journal of Physics; Conference Series, 505, p.012033_1 - 012033_4, 2014/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:6.32

Spin polarizations of electrostatic positron beams generated using a $$^{68}$$Ge and a $$^{22}$$Na sources with tungsten moderators were 47% and 30%, respectively. A comparable spin polarization (27%) was obtained with much reduced beam diameter (0.5 mm), when electromagnetic lenses, a $$^{22}$$Na source and a tungsten moderator were used. Replacing the tungsten moderator with a solid neon moderator in this system, the beam flux was significantly enhanced with maintaining the spin polarization. The Doppler broadening of annihilation radiation spectra of polycrystalline Fe measured using the above beams showed clear asymmetry upon field reversal.

論文

Total reflection high-energy positron diffraction (TRHEPD)

兵頭 俊夫*; 深谷 有喜; 前川 雅樹; 望月 出海*; 和田 健*; 設楽 哲夫*; 一宮 彪彦*; 河裾 厚男

Journal of Physics; Conference Series, 505(1), p.012001_1 - 012001_5, 2014/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:9.06

反射高速陽電子回折(RHEPD)は1992年に提唱され、1998年に初めて実証された。それ以来、RHEPDは表面科学の分野へ多くの寄与を果たしている。最近、原子力機構のRHEPD装置を高エネルギー加速器研究機構低速陽電子実験施設に移設し、輝度増強した高強度陽電子ビームラインへの接続を行った。この陽電子ビームの高強度化により、鮮明なRHEPDパターンが得られるようになった。Si(111)-$$7times7$$表面をテスト試料として用い、RHEPDパターンの観測を行った。陽電子のエネルギーは10kVに設定した。このエネルギーでは、全反射の臨界角は2$$^{circ}$$となる。全反射条件下の視射角1.3$$^{circ}$$で観測したRHEPDパターンは、計算結果と非常によく一致することが分かった。全反射したRHEPDパターンは、本質的に付着原子と表面第一層の原子だけで決定できることも分かった。この手法により、最表面から内部へ向かった表面近傍の構造解析が可能である。我々はこの手法を全反射陽電子回折法と呼ぶ。

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