表界面物理計測グループ
2022.10.27 更新表界面物理計測グループでは、表面反応の素過程や、反応によって生じた物性変化を、物理化学的に追及しています。産業等、近視野的に利用すべきターゲットを追うのがNIMSのプロジェクト研究なら、それと並行してプロジェクトで利用されている物理現象が、一体何に起因しているのかを探る事が、当グループの目的です。実験系ではありますが、基礎物理学に近い研究を行っています。
新着 - What's new? -
2022年8月~9月 インターンシップ生滞在
このインターンシップによりご本人の卒業研究が進展するとともに、国立研究機関での経験が今後の役に立つことを願っています。
なお、NIMSのインターンシップ制度については、公式サイト内に案内があります。
NIMSインターンシップ制度

実験室にて

NIMS中庭にて
2022年4月 グループメンバー更新
4月1日から、艸分倫子さんがNIMSエンジニアとして当グループに加わりました。
2021年3月 大分工業高等専門学校の共同研究メンバーが来構
新型コロナがなかなかおさまらない中、双方で調整をし、2022年3月後半に松本佳久副校長と3人の学生さんがNIMSを訪れ、学生さんたちは10日あまりの滞在期間中に共同研究テーマである「⽔素分離膜の構造解析と局所拡散挙動の解明」の研究として、オペランド水素顕微鏡、オージェ電子分光装置を用いて、実験を行いました。
今後も、測定試料の郵送でのやり取りやオンラインでのディスカッションなども含め、安全に留意し工夫しながら協働を続けていきたいと思います。

打合せの様子

実験室での様子
2022年3月 研究紹介ムービーの英語版公開
水素社会の到来を迎え、注目を集める水素顕微鏡の概略が紹介されています。
3年前のデータなので、今後新しい動画を公開していこうと思います。
『表面と真空』に宮内・板倉らの共著論文が掲載
タイトル : 鉄鋼試料中水素拡散評価を目指したマルチモーダルデータ解析
グループ員の昇任

職員紹介でのあいさつの様子
Scientific Reportsに矢ヶ部・宮内・板倉らの論文が掲載
タイトル : 2‑step reaction kinetics for hydrogen absorption into bulk material via dissociative adsorption on the surface
『表面と真空』に大西・矢ヶ部・板倉らの論文が掲載
タイトル : ヘリウムイオン顕微鏡による表面化学分析用標準試料の経年変化の解析
科学新聞に掲載 - TIAかけはし成果報告会での板倉の記念表彰・講演について
【記事の要旨】
オープンイノベーション拠点のTIAは7月14日、連携推進事業である「かけはし」の第5回成果報告会をオンラインで開催。
これまで同事業で大きな成果をあげた2課題をとりあげ、2人の代表研究者を表彰し、その記念講演を行った。
表彰された1件は「オペランド水素顕微鏡の開発とその展開」で、代表の板倉明子氏が表彰されて記念講演した。
金属を腐食させる金属中の水素を検出するオペランド水素顕微鏡を開発し、これを用いた研究成果をあげ、金属材料以外のセラミック材料への応用や、拡散防止膜・改質表面の検査への可能性を示唆した。
もう1件は「グライココード (糖鎖暗号) の解読による次世代医療技術の開発」で、代表の舘野浩章氏 (産総研) が表彰されて講演した。
糖鎖解析に用いられるレクチン (糖鎖受容体) を用いて、5年生存率が10%ほどとされる膵ガンの治療薬開発に取り組み、マウス実験で抗腫瘍効果を確認、現在は筑波大と連携して治療薬・診断薬を開発中である。
このほか、20年度課題から10件の報告を行った。
これら課題の報告概要、記念講演概要、20年度・21年度課題ポスターは、TIAホームページで公開している。
※下のトピック (板倉がTIAかけはし成果報告会で表彰、記念講演) 中の、【板倉よりコメント】もご覧ください。
板倉がTIAかけはし成果報告会で表彰、記念講演

表彰状
その受賞者の一人として、当グループのグループリーダー板倉明子が選ばれました。
成果報告会では、記念講演を行い、Zoomで配信されました。
TIAについてはこちら https://www.tia-nano.jp/page/dir000003.html
【板倉よりコメント】
TIAかけはしは他の研究機関との共同研究が基本です。
代表として私が授賞いただきましたが、2016年TIAかけはし研究課題である「材料およびバリア膜・コーティング膜評価のための、吸着・脱離・透過測定装置開発に関する調査研究」をもとにした研究で、
参画者 (2016年応募時の所属)
産総研 : 吉田肇、新井健太、小畠時彦、
KEK : 間瀬一彦、谷本育律、菊地貴司
筑波大 : 久保 敦、関場大一郎、
東京大学 : 福谷克之
東邦大学 : 宮内直弥、高木祥示、
成蹊大学 : 中野武雄、青柳里果 (以上敬称略)
NIMS 矢ヶ部太郎、村瀬義治、土佐正弘
での共同研究になります。
Scientific Reportsに板倉・宮内・矢ヶ部らの論文が掲載
タイトル : Model of local hydrogen permeability in stainless steel with two coexisting structures
『軽金属』に板倉の解説が掲載
タイトル : 金属板を透過した水素の実時間可視化
Materials Transactionsに板倉・宮内らの共著論文が掲載
タイトル : Evaluation of Surface Damage of Pd Using Cross-Sectional Electron Backscatter Diffraction Analysis
nature Scientific Reportsに関禎子らの論文が掲載
タイトル : Direct visualization of the extracellular binding structure of E-cadherins in liquid
2020年9月 大分工業高等専門学校との共同研研究スタート

松本教授 (左) と研究室の皆さん
Applied Surface Scienceに宮内らの論文が掲載
タイトル : Visualization of local hydrogen diffusion in stainless steel using time resolved electron stimulated desorption
Journal of Vacuum Science Technology Bに板倉・宮内らの共著論文が掲載
タイトル : Fusion data analysis of imaging data of hydrogenpermeated steel obtained by complementary methods
Journal of Physics Communicationsに矢ヶ部太郎らの論文が掲載
タイトル : Hydrogen detection using membrane-type surface stress sensor
研究紹介ムービーが公開されています (2019年1月)
「金属をもろくする水素の動きが見える ! 世界唯一の電子顕微鏡」
水素社会の到来を迎え、注目を集める手法の概略が紹介されています。ぜひご覧ください。
※リンク先の動画は著作権法で保護されており、営利・非営利いずれの目的に関わらず、無断で転載・流用することはできません。
そのほかのお知らせ
専門分野・研究対象
- 表面や界面における現象を、電子分光、表面応力、微量元素の放出測定などの手法で追跡します。
- 反応性の薄膜と吸着物が作る応力の発生から分子吸着を判定することで、センサー開発をします。
- 金属材料表面から発生する水素を可視化し、材料中の水素挙動を解明することで水素周辺材料の研究に貢献します。
研究トピックス : オペランド水素顕微鏡による水素の可視化
■オペランド水素顕微鏡とは何か?
板状金属の背面から水素等を供給し、反対面から放出される原子・分子を電子衝撃脱離法 (DIET法) により検出し、画像化することで、固溶サイトや透過経路を解明する装置を開発しました(特開2017-187457,特願2018-26518) 。

図1. 電子遷移誘起脱離による水素可視化原理の模式図

図2. オペランド水素顕微鏡模式図 : 電子顕微鏡にイオン検出器と質量分析器を付加し、電子線と同期させて画像を取ることで、透過した水素の二次元分布を画像化する。
■ステンレス鋼(SUS304)を透過する水素の測定例
試料は100μmの隔板形状で、結晶粒のサイズは約100μmに調整しました。オーステナイト結晶粒はSEM増で明るく見えます。冷間加工で入れたマルテンサイト転位はSEM画像では黒い線に見えます。この試料を用いて、オペランド水素顕微鏡で測定した水素の表面分布を比較します。

図3. (a) 電子顕微鏡像。一辺の長さは330μm。結晶粒の縁の集まった、粒界多重点を白丸で記した。(b) 背面に水素を供給してから、3時間後までにDIETで放出した水素像。

図4. (a) 電子顕微鏡像。一辺の長さは330μm 。結晶粒の縁に沿って目視のための線を書き入れた。(b) 背面に水素を供給してから、55時間後までにDIETで放出した水素像。(a)に書き入れた線を、(b)図に重ねている。
SEM像中の粒子形状は、水素分布の濃淡と重なっている部分が多いです。 言い換えれば、55時間で透過してきた水素の量が結晶粒に依存しているということです。 水素の拡散定数は縞模様に見えるマルテンサイト構造の方が、オーステナイト構造よりも大きいことがわかっています。しかしながら、マルテンサイト結晶粒のいくつかは高い水素分布を示していません。
次に隔板を透過する水素の経路を検討しました (サンプルの厚さは100μm、粒径は100〜150μm) 。

図5. 板材を透過する水素の拡散経路のモデル
さらに、水素の拡散は結晶方位によって異なるはずです。すでに電子後方散乱回折 (EBSD) の測定と比較することによって、SEM画像で単一の粒子に見えていたオーステナイト結晶粒に2つ以上の結晶方位が存在していることを確認しました。粒界の構造を考慮するとき、隣接する粒子の結晶方位によって粒界の性質が変わります。
将来的には、水素のDIETマッピングとEBSD測定を含む構造解析分布図と、オペランド水素顕微鏡の水素像とを比較する予定です。
■改質表面やコーティング層の評価例

(a)
図6. 塩酸蒸気に1時間晒し(a)、大気中に1週間置いた表面。(b)は一般的な電解研磨したSUS316鋼。表面、(c)は電解研磨の後に熱処理を加えて酸化クロムで被覆したSUS316鋼。

(b)

(c)
(N.Miyauchi et al., Appl.Surf.Sci.492 (2019) 280–284)

図7. (a)の状態で並べて測定したときのSEM像(b)と水素放出像(c)、およびライン評価(d)
(b)の中央の黒い領域は、並べた2つのサンプル間の空きスペース。SPP処理表面(上半分)、下半分の電解研磨表面。 (c) は (b) と同じ空間の200℃の温度での水素マップ。 (d) は (c) のラインA-BおよびC-Dのラインプロファイルを示す。
研究トピックス : 歪み計測による分子検知
■パラジウム合金を用いた水素ガスの検知
■分子鋳型ポリマーを用いたタンパク質の検知
研究トピックス : テスト薄膜から実用デバイスへ 新しい計測の展開

GaN:Eu赤色発光ダイオードの多次元状態マッピング
最近、発光ダイオードの多次元状態マッピング法が当研究室で開発された。電荷の注入制御 (パルス駆動周波数) の軸を加えた三次元発光スペクトル (図) は、光ルミネッセンスではわからなかった、GaN:Eu LED (次世代GaNベース赤色発光ダイオード : 大阪大学工学部提供) 固有の発光機構をナノスケールで明らかにした。
過去のお知らせ
日刊工業新聞にオペランド水素顕微鏡の紹介記事
【要旨】
材料中に水素が入ることでもろくなる「水素脆化」現象は「腐食」と並ぶ課題でありながら、水素原子の観察・検出が難しいため研究が遅れています。 そのような中、板倉らのグループは、水素の検知装置としてオペランド水素顕微鏡を開発し、材料中の水素透過場所の可視化に成功しました。
今後は他分野の研究者とも協力して水素脆化のメカニズムを解明し、その抑制につなげようと考えています。
Vacuum and Surface Scienceに宮内直弥らの解説(和文)が掲載
タイトル : オペランド水素顕微鏡による水素分布の観測
Vacuum and Surface Scienceに岩澤智也らの論文(和文)が掲載
Applied Surface Scienceに宮内直弥らの論文が掲載
Proceedings of the 29th ISOPE に板倉明子らの論文が掲載
NIMSジュニア研究員 岩澤智也が、講演奨励賞を受賞

2019年5月18日 表彰式の様子。左から4人目が岩澤氏。

NIMS 界面制御実験棟にて。
機構の広報誌に、研究紹介記事掲載のお知らせ
こちらからPDFファイルでご覧いただけます。
研究会のご報告
「ナノ光電子材料における消光問題の国際的枠組による解決」研究会
を、2016年8月19日 (金) 13:00-17:30に、京都大学 人間・環境学研究科セミナー室で開催いたしました。詳細はこちらまで。
最近の刊行物
グループから発表された最近の論文や著作です。過去の発表はNIMS研究者総覧 (下記「関連リンク」または上記「グループメンバー」からアクセス) でご覧ください。
- 青柳 里果, 秋山 智美, 鈴木 菜摘, 宮内 直弥, 板倉 明子, "鉄鋼試料中水素拡散評価を目指したマルチモーダルデータ解析" 表面と真空 64 [10] (2021) 472–475 DOI https://doi.org/10.1380/vss.64.472
- T. Yakabe, G. Imamura, G.Yoshikawa, N. Miyauchi, M. Kitajima & A. N. Itakura, "2‑step reaction kinetics for hydrogen absorption into bulk material via dissociative adsorption on the surface" Scientific Reports. 11 (2021) 18836 https://doi.org/10.1038/s41598-021-98347-4
- 大西桂子, 永野聖子, 藤田大介, 矢ヶ部太郎, 板倉明子, "ヘリウムイオン顕微鏡による表面化学分析用標準試料の経年変化の解析" 表面と真空 64 [9] (2021) 424-429 (2021) DOI https://doi.org/10.1380/vss.64.424
- Akiko N. Itakura, Naoya Miyauchi, Yoshiharu. Murase, Taro. Yakabe, Masahiro. Kitajima, Satoka Aoyagi "Model of local hydrogen permeability in stainless steel with two coexisting structures" Scientific Reports 11 (2021) 8553 10.1038/s41598-021-87727-5
- Yoshiharu Murase, Naoya Miyauchi, Akiko Itakura, Hideki Katayama, "Evaluation of Surface Damage of Pd Using Cross-Sectional Electron Backscatter Diffraction Analysis" MATERIALS TRANSACTIONS. 62 [1] (2021) 41-47 10.2320/matertrans.mt-m2020220
2020
- Taro Yakabe, Gaku Imamura, Genki Yoshikawa, Masahiro Kitajima, Akiko N Itakura,“Hydrogen detection using membrane-type surface stress sensor” Journal of Physics Communications. 4 [2] (2020) 025005 10.1088/2399-6528/ab7319
- 板倉 明子, "金属板を透過した水素の実時間可視化" 軽金属 (一般社団法人軽金属学会 会誌) (2020) 556-561 10.2464/jilm.70.556
- Teiko Shibata-Seki, Masato Nagaoka, Mitsuaki Goto, Eiry Kobatake, Toshihiro Akaike, "Direct visualization of the extracellular binding structure of E-cadherins in liquid" nature Scientific Reports (2020) 10, 17044 10.1038/s41598-020-72517-2
- 板倉 明子, "水素の動きを可視化する - オペランド水素顕微鏡の開発 - " WE-COMマガジン (2020) 37-1-3-1-37-1-3-12
- Naoya Miyauchi, Tomoya Iwasawa, Yoshiharu Murase, Taro Yakabe, Masahiro Kitajima, Shoji Takagi, Tomomi Akiyama, Satoka Aoyagi, Akiko N. Itakura, “Visualization of local hydrogen diffusion in stainless steel using time resolved electron stimulated desorption” Applied Surface Science. 527 (2020) 146710 10.1016/j.apsusc.2020.146710
- Tomomi Akiyama, Naoya Miyauchi, Akiko N. Itakura, Takayuki Yamagishi, Satoka Aoyagi, “Fusion data analysis of imaging data of hydrogen-permeated steel obtained by complementary methods” Journal of Vacuum Science & Technology B. 38 [3] (2020) 034007 10.1116/6.0000
2019
- Naoya Miyauchi, Tomoya Iwasawa, Yoshiharu Murase, Shoji Takagi, Akiko N. Itakura, “Observation of Metal Surface by Operando Hydrogen Microscope” Vacuum and Surface Science 62 [1] (2019) 27-32 10.1380/vss.62.27
- Naoya Miyauchi, Tomoya Iwasawa, Taro Yakabe, Masahiro Tosa, Toyohiko Shindo, Shoji Takagi, Akiko N. Itakura, “Visualization and characterization of localized outgassing position on surface-treated specimens: Chromium oxide layer on stainless steel” Applied Surface Science 492 (2019) 280-284 10.1016/j.apsusc.2019.06.172
- Tomoya Iwasawa, Naoya Miyauchi, Takagi Shoji, Yoshiharu Murase, Yoichi Yamada, Akiko N. Itakura, Masahiro Sasaki,“Observation of behavior of deuterium permeated through stainless steel” Vacuum and surface science (2019) 635-640 10.14886/sssj2008.2018.0_142
2018
- A. N. Itakura, M. Tosa, T. Yakabe, N. Miyauchi, A. Kasahara, T. Miyata, T. Shindo, “Low Outgas Surface Treatment of Stainless Steel 316L Using Segregated Chromium Oxide Layer” Vacuum and Surface Science 61 [10] (2018) 675-680 10.1380/vss.61.675
- Masaya Toda, Koji Miyake, Li-Qiang Chu, Marjan Zakerin, Renate Förch, Rüdiger Berger, Akiko N. Itakura, “Young's modulus of plasma-polymerized allylamine films using micromechanical cantilever sensor and laser-based surface acoustic wave techniques” Plasma Processes and Polymers 15 [9] (2018) 1800083 10.1002/ppap.201800083
- Naoya Miyauchi, Kenichirou Hirata, Yoshiharu Murase, Hiroyuki A. Sakaue, Taro Yakabe, Akiko N. Itakura, Tetsuji Gotoh, Shoji Takagi, “2D Mapping of Hydrogen Permeation from a Stainless Steel Membrane” SCRIPTA MATERIALIA 144 (2018) 69-73 10.1016/j.scriptamat.2017.09.026
- Akiko N. Itakura, Naoya Miyauchi, et al., Compendium of Surface and Interface Analysis, Springer, (2018)
2017
- Fengniu Lu, Tomohisa Takaya, Koichi Iwata, Izuru Kawamura, Akinori Saeki, Masashi Ishii, Kazuhiko Nagura, Takashi Nakanishi, “A Guide to Design Functional Molecular Liquids with Tailorable Properties using Pyrene-Fluorescence as a Probe” SCIENTIFIC REPORTS 7 (2017) 3416-1-3416-12 10.1038/s41598-017-03584-1
- 板倉 明子, 宮内 直弥, 村瀬 義治, 高木祥示, “水素計測電子顕微鏡の開発” 配管技術 59 [13] (2017) 14-18
- Minoru Kubo, Eriko Nango, Kensuke Tono, Tetsunari Kimura, Shigeki Owada, Changyong Song, Fumitaka Mafuné, Ken Miyajima, Yoshihiro Takeda, Jun-ya Kohno, Naoya Miyauchi, Takanori Nakane, Tomoyuki Tanaka, Takashi Nomura, Jan Davidsson, Rie Tanaka, Michio Murata, Takashi Kameshima, Takaki Hatsui, Yasumasa Joti, Richard Neutze, Makina Yabashi, So Iwata, “Nanosecond pump-probe device for time-resolved serial femtosecond crystallography developed at SACLA” JOURNAL OF SYNCHROTRON RADIATION 24 (2017) 1086-1091 10.1107/s160057751701030x
- 真船文隆, 武田佳宏, 河野淳也, 登野健介, 宮島謙, 宮内 直弥, “従来の数10分の1の試料で結晶構造解析を可能にする技術を開発” JOURNAL OF JAPAN LASER PROCESSING SOCIETY 24 [2] (2017) 51-55
2016
- 石井 真史 “「光らなかった」過程を測る” OYO BUTURI 85 [3] (2016) 223-227
- Maxime Paven, Regina Fuchs, Taro Yakabe, Doris Vollmer, Michael Kappl, Akiko N. Itakura, Hans-Jürgen Butt, “Mechanical Properties of Highly Porous Super Liquid-repellent Surfaces” ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 26 [27] (2016) 4914-4922 10.1002/adfm.201600627
- M. Ishii, A. Koizumi, and Y. Fujiwara, “Dimerization of emission centers in Eu-doped GaN red light emitting diode: Cooperative charge capturing using valence states coupling” Journal of Physics: Condensed Matter 29, 025702 (2017) doi:10.1088/0953-8984/29/2/025702
- M. Ishii, A. Koizumi, Y. Fujiwara, “Trapping of injection charges in emission centers of GaN:Eu red LED characterized with 1/f noise involved in forward current” Jpn. J. Appl. Phys 55[1] (2016) 015801-1 DOI:10.7567/JJAP.55.015801
2015
- Y. Kamon, Y. Kitayama, A. Itakura, K. Fukazawa, K. Ishihara, T. Takeuchi, “Synthesis of Grafted Phosphorylcholine Polymer Layers as Specific Recognition Ligands for C-Reactive Protein via Optimization of” Phys. Chem. Chem. Phys. 17[15] (2015) 9951-9958 DOI:10.1039/c5cp00469a
- 板倉明子, “真空基礎講座 真空部品と可動機構” JOURNAL OF THE VACUUM SOCIETY OF JAPAN 58[8] (2015) 282-291
- 宮内直弥, 鈴木 真司, 高木 祥示, 後藤 哲二, 村瀬義治, 板倉明子, “ステンレス表面上の透過水素分布の観察” JOURNAL OF THE VACUUM SOCIETY OF JAPAN 58[10] (2015) 387-391
- 板倉明子, “曇らない鏡の秘密 他” すごいぞ ! 身のまわりの表面科学 (ブルーバックス) (2015) 12-16
- M. Ishii, A. Koizumi, Y. Fujiwara, “Nanoscale determinant to brighten up GaN:Eu red LED: Local potential of Eu-defect complexes” J. Appl. Phys. 117[15] (2015) 155307-1 DOI:10.1063/1.4918662
- M. Ishii, S. Fuchi, Y. Takeda, “Interaction of Nd dopants with broadband emission centers in Bi2O3–B2O3 glass: Local energy balance and its influence on optical properties” J. Phys.-Condes. Matter 27[39] (2015) 395402-1 DOI:10.1088/0953-8984/27/39/395402
- M. Ishii, A. Koizumi, Y. Fujiwara, “Three-dimensional spectrum mapping of bright emission centers: investigating the brightness-limiting process in Eu-doped GaN red light emitting diodes” Appl. Phys. Lett. 107[8] (2015) 082106-1 DOI:10.1063/1.4929531
関連ファイル・リンク
グループメンバー

(別ウィンドウで開きます)矢ヶ部 太郎
(やかべ たろう)

(別ウィンドウで開きます)大西 桂子
(おおにし けいこ)

(別ウィンドウで開きます)宮内 直弥 (併任)
(みやうち なおや)

関 禎子
(せき ていこ)

(別ウィンドウで開きます)石井 真史 (併任)
(いしい まさし)
(きたじま まさひろ)
(くさわけ ともこ)
(いないし かなめ)
お問い合わせ先
- 表界面物理計測グループ
-
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
E-Mail: INAISHI.Kaname=nims.go.jp([ = ] を [ @ ] にしてください)