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産業応用を目指した無機・有機新材料創製のための構造解析技術

  • Structural Analysis of Novel Organic-Inorganic Materials for Industrial Applications
★専門機関のみならず企業の研究開発の現場でもますます重要視される構造解析!
★X線回折、TEM、SEM、SPMなどの電子顕微鏡から、化学分析、NMR、数値解析、量子ビーム研究基盤の活用まで、広範な解析技術を「産業向け」を主軸に解説!
★解析手法の基礎的解説からテクニック、試料作製、活用事例などをまとめた新材料開発、高機能化を目指す技術者必携の1冊!

商品コード: B1153

  • 監修: 米澤徹、陣内浩司
  • 発行日: 2015年8月15日
  • 価格(税込): 8,640 円
  • 体裁: B5判、295ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1070-1

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  • 解析 / 分析 / 評価 / ナノ観察 / 局所解析 / 電子顕微鏡 / X線 / 放射光 / クロマトグラフィー / NMR / 三次元解析 / 表面観察 / 物性評価 / FEM / 第一原理計算 / 信頼性評価 / シミュレーション / 試料作製 / 結晶構造 / 高分子材料 / 複合材料 / 無機材料 / 有機材料 / ナノ材料 / 炭素材料 / 磁性材料 / SPring-8 / ナノテクノロジー

刊行にあたって

 21世紀の材料開発は社会の諸問題を解決するための根幹となる科学技術と位置づけられており、独創的なアイデアに基づく材料技術が常に求められている。近年、こうした材料開発において、迅速にナノメートルスケールの構造や組成などを高精度に直接観察できる分析・解析技術が、材料開発の種々の問題を解決し先導するために必要不可欠となっている。しかし、分析・解析技術の進歩は、一方で、最先端解析装置のブラックボックス化を促すことになり、一般ユーザーは得られたデータを表層的に理解するだけで、個々の画像やスペクトルの示す深い意味をとらえることができなくなりつつある。そこで本書は、主に企業の材料開発者を対象とし、新しい材料創製のための最先端の構造解析技術を系統的にまとめた。各手法の概説だけでなく、最先端材料に関する測定例についても具体的に触れていただいている。本書が材料技術者の良き指南書となることを期待している。

(「はじめに」より抜粋)

著者一覧

米澤徹   北海道大学
陣内浩司   東北大学
紺谷貴之   (株)リガク
竹中幹人   京都大学
宮﨑司   日東電工(株)
犬束学   九州大学
田中敬二   九州大学
一國伸之   千葉大学
一柳光平   高エネルギー加速器研究機構
野澤俊介   高エネルギー加速器研究機構
増田亮   京都大学
瀬戸誠   京都大学
鈴木宏正   東京大学
松村晶   九州大学
清野智志   (株)アイテス
藪浩   東北大学
吉澤徳子   国立研究開発法人 産業技術総合研究所
田中信夫   名古屋大学
荒井重勇   名古屋大学
アレクサンダー ブライト   日本エフイー・アイ(株)
平田秋彦   東北大学
多持隆一郎   (株)日立ハイテクノロジーズ
谷山明   新日鐵住金(株)
太田啓介   久留米大学
須賀三雄   日本電子(株)
西山英利   日本電子(株)
岩佐真行   (株)日立ハイテクサイエンス
髙井和之   法政大学
小林圭   京都大学
藤波想   国立研究開発法人 理化学研究所
中嶋健   東京工業大学
横田泰之   大阪大学
福井賢一   大阪大学
香川信之   (株)東ソー分析センター
小野浩   彦島製錬(株)
関根素馨   (株)三井化学分析センター
水野元博   金沢大学
溝口照康   東京大学
山本晃司   サイバネットシステム(株)
高田昌樹   東北大学
寺内正己   東北大学

目次

第1章 X線回折

1 粉末X線回折法, X線回折法による材料解析  
 1.1 はじめに
 1.2 基本原理
  1.2.1 X線の発生
  1.2.2 X線の散乱
  1.2.3 回折現象
  1.2.4 粉末X線回折法
 1.3 解析手法
  1.3.1 定性分析
  1.3.2 定量分析
  1.3.3 結晶子サイズ・歪み解析
  1.3.4 結晶化度解析
  1.3.5 配向性評価
  1.3.6 結晶構造解析
 1.4 おわりに

2 小角散乱によるソフトマテリアルの構造解析
 2.1 はじめに
 2.2 小角散乱の理論
 2.3 小角散乱の解析
  2.3.1 モデル法
  2.3.2 統計法
  2.3.3 Unified Guinier/power-law
 2.4 まとめ

3 斜入射X線散乱による構造解析 
 3.1 はじめに
 3.2 斜入射X線散乱法の原理
 3.3 製造・加工プロセス中のその場観察への応用
  3.3.1 高分子フィルム塗工過程のその場観察
  3.3.2 高分子薄膜のスピンコート過程のその場観察
  3.3.3 高分子フィルムの延伸過程の3次元構造観察
 3.4 おわりに

4 中性子反射率による構造解析 
 4.1 概要
 4.2 原理
  4.2.1 界面での反射
  4.2.2 単層膜での反射
 4.3 測定例
  4.3.1 ポリスチレン/非溶媒界面の構造解析
  4.3.2 ナフィオン薄膜の膨潤挙動
 4.4 まとめ

5 ナノ粒子触媒のXAFSを用いた構造解析 
 5.1 はじめに
 5.2 XAFSの特徴
 5.3 担持Ni触媒のナノクラスター化
 5.4 ナノクラスター化した担持NiO触媒
 5.5 合金ナノクラスター触媒の構造解析
 5.6 おわりに

6 時間分解X線回折法
 6.1 パルスX線を用いたポンプ・プローブ法
 6.2 不可逆構造変化のシングルショット計測
 6.3 放射光X線パルスを用いたシングルショットのポンプ・プローブ測定装置
 6.4 レーザー衝撃圧縮法
 6.5 CdS単結晶の衝撃圧縮下における弾性過渡構造変化の可視化
 6.6 安定化ジルコニアの衝撃圧縮下における構造変化過程
 6.7 石英ガラスの衝撃圧縮過程における中間距離構造の変化
 6.8 まとめ

7 放射光メスバウアー吸収分光法による磁性材料解析
 7.1 放射光メスバウアー分光法とは
 7.2 放射光メスバウアー線源法
 7.3 放射光メスバウアー吸収分光法
 7.4 その他のメスバウアー効果を使った測定法

8 X線CTスキャナーによる複合材料の繊維配向推定手法 
 8.1 はじめに
 8.2 中立軸(Medial Axis) による方法
 8.3 画像勾配による方法
 8.4 方向付距離による方法
 8.5 空間フィルターによる方法
 8.6 周波数変換による方法
 8.7 まとめ

第2章 透過型電子顕微鏡(TEM)

1 TEM, STEMによる材料のナノ観察

2 TEM装置原理とTEM試料作製
 2.1 はじめに
 2.2 透過型電子顕微鏡(TEM)の原理
 2.3 多様な試料作製方法
 2.4 FIB法によるTEM試料作製
  2.4.1 FIBとは
  2.4.2 マイクロサンプリング法
  2.4.3 リフトアウト法
  2.4.4 FIB加工ダメージについて
 2.5 ミクロトーム法によるTEM試料作製
  2.5.1 ガラスナイフ作製
  2.5.2 樹脂包埋,およびトリミング
  2.5.3 ミクロトームによる切り出し薄片化
 2.6 おわりに

3 電子線トモグラフィによる高分子立体構造観察
 3.1 電子線トモグラフィの基礎
  3.1.1 背景
  3.1.2 最近の動向
 3.2 電子線トモグラフィの高分子分野における応用例
  3.2.1 高分子微粒子の立体構造観察
  3.2.2 無機―有機コンポジット材料の立体構造観察

4 TEMによる炭素材料の観察・分析
 4.1 炭素材料の基礎的知見とその分類
 4.2 産業用炭素材料
  4.2.1 産業用炭素材料の特徴
  4.2.2 観察・分析例
 4.3 ナノカーボン類
  4.3.1 ナノカーボン類の特徴
  4.3.2 観察・分析例
 4.4 試料作製法

5 反応科学超高圧電子顕微鏡によるその場観察
 5.1 はじめに
 5.2 装置の詳細
 5.3 ガス環境下の観察例
  5.3.1 ガスのEELSスペクトル
  5.3.2  金属微粒子の酸化反応
 5.4 厚い生物試料の立体構築像
 5.5 まとめ

6 Cs補正STEMを用いた実用材料の観察
 6.1 はじめに
 6.2 鉄鋼材料における析出物の評価
 6.3 Ni基超合金の微細組織観察
 6.4 Al-Li-Cu合金の原子スケールでの析出物評価
 6.5 Al-Cu-Mg合金における析出物寸法制御による高強度化と腐食ピット抑制の最適化
 6.6 触媒粒子表面における酸化物価数の原子スケールでの評価
 6.7 リチウムイオン電池の性能劣化と正極材料の製造方法による構造差との関連性
 6.8 エピタキシャル成長させたLuFeO3膜中のFe3O4ナノレイヤーの評価
 6.9 まとめ

7 STEM電子回折法を用いたアモルファス材料の局所構造解析 
 7.1 はじめに
 7.2 STEM電子回折法の実際
 7.3 金属ガラスへの応用
 7.4 さいごに

第3章 走査型電子顕微鏡(SEM)

1 走査電子顕微鏡による先端材料解析技術 
 1.1 はじめに
 1.2 SEMの原理
 1.3 SEMの分解能
  1.3.1 高輝度電子銃
  1.3.2 低収差対物レンズ
 1.4 低加速電圧観察
  1.4.1 低加速電圧観察のメリット
  1.4.2 低加速電圧領域の高分解能化
 1.5 低加速STEM観察
 1.6 おわりに

2 SEM試料作製
 2.1 試料作製の基本操作
  2.1.1 試料の固定
  2.1.2 導電処理
  2.1.3 試料表面・断面の研磨
  2.1.4 化学エッチング・電解エッチング
  2.1.5 イオンエッチング
  2.1.6 プラズマエッチング
  2.1.7 試料の割断・へき開
 2.2 観察目的に応じた試料作製
  2.2.1 金属・半導体材料の観察
  2.2.2 無機材料の観察
  2.2.3 有機材料の観察
  2.2.4 低加速電圧SEMを用いた表面観察,EBSDを用いた結晶方位解析

3 収束イオンビーム-SEM装置を用いたメゾスケール三次元解析
 3.1 はじめに
 3.2 FIB-SEMトモグラフィー法の特徴と観察対象:メゾスケール構造
 3.3 FIB-SEM三次元再構築法に用いる取得画像の取得条件と像の解釈
 3.4 無機・有機材料の試料調製とその解析例
 3.5 生物材料・コントラストが得られない試料の調製(en bloc染色)とその解析例
 3.6 おわりに
4 大気圧走査電子顕微鏡による大気圧条件下のナノスケール構造観察 
 4.1 はじめに
 4.2 大気圧SEMの原理
 4.3 溶媒蒸発過程の観察
 4.4 液中ナノ粒子のシンタリング過程
 4.5 液中マイクロ粒子の塩溶液に対する反応
 4.6 電気化学反応のリアルタイム観察
 4.7 まとめ

第4章 走査型プローブ顕微鏡(SPM)

1 走査型プローブ顕微鏡による高分子表面解析
 1.1 はじめに
 1.2 走査型プローブ顕微鏡(SPM)とは
 1.3 ポリ乳酸球晶の観察
 1.4 結晶形態と融解挙動の相関
 1.5 高分子系複合材料の相分離
  1.5.1 両親媒性ブロック共重合体のミクロ相分離観察
  1.5.2 ブレンドゴムのモルフォロジー観察
 1.6 その他の産業材料の観察
 1.7 おわりに

2 走査型プローブ顕微鏡による炭素物質・材料の解析
 2.1 炭素材料と走査プローブ顕微鏡
 2.2 炭素材料の構造・電子構造
 2.3 STMの動作原理
 2.4 グラファイトのSTM解析
 2.5 グラファイト基板上における炭素材料のモデル構造
 2.6 SPM測定における炭素材料の試料処理
 2.7 おわりに

3 走査型プローブ顕微鏡による有機薄膜トランジスタの評価
 3.1 はじめに
 3.2 ケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)
  3.2.1 KPFMの原理
  3.2.2 KPFM のセットアップ
  3.2.3 AM-KPFMとFM-KPFM
 3.3 OTFTにおけるチャネル電位分布評価
 3.4 OTFTにおけるトラップ電荷密度評価
 3.5 AFMによるOTFTの局所電気特性評価
 3.6 まとめ

4 原子間力顕微鏡によるナノコンポジット材料の表面力学測定
 4.1 はじめに
 4.2 AFM探針と試料表面の接触問題
  4.2.1 Hertzモデル
  4.2.2 Bradley-Derjaguinモデル
  4.2.3 Johnson-Kendall-Roberts(JKR)モデル
  4.2.4 Derjaguin-Muller-Toporov(DMT)モデル
  4.2.5 JKR-DMT遷移とMaugis-Dugdale(MD)モデル
 4.3 接触力学モデルの実験データへの適用方法
  4.3.1 接触力学モデルの選択
  4.3.2 フォースディスタンスカーブの変換
  4.3.3 荷重―押し込み深さの関係の解析
  4.3.4 ナノ力学物性マッピング
 4.4 応用例
  4.4.1 イソプレンゴム
  4.4.2 カーボンブラック充塡イソプレンゴム
  4.4.3 ファイバー補強プラスチック
 4.5 まとめ

5 液中SPMによる固液界面における固体および液体の局所解析
 5.1 はじめに
 5.2 液中STM
 5.3 電気化学STM
 5.4 液中AFM
 5.5 電気化学AFM

第5章 化学分析

1 液体クロマトグラフィーによる高分子解析
 1.1 はじめに
 1.2 液体クロマトグラフィーの分離モード
 1.3 装置の概要
 1.4 サイズ排除クロマトグラフィーによる高分子解析
 1.5 液体クロマトグラフィーによる高分子の組成分離
 1.6 おわりに

2 湿式化学分析法による金属材料の定性分析・定量分析
 2.1 はじめに
 2.2 湿式分析で得られる情報
 2.3 よく使用される定量方法
 2.4 定量分析の流れ
 2.5 サンプリング
 2.6 分析方法の設計
  2.6.1 定性分析
  2.6.2 元素の性質
  2.6.3 化学分析(滴定・重量法)の利用
  2.6.4 試料溶解(溶出)方法
  2.6.5 定量下限
  2.6.6 分析成分分離実施の判断
  2.6.7 測定精度
  2.6.8 納期・コスト
 2.7 定量分析実施例
 2.8 分析結果の判断
 2.9 おわりに

第6章 NMR

1 固体NMRによる高分子材料の評価
 1.1 固体NMRの特徴について
 1.2 パルスNMRによる分子運動解析
 1.3 固体高分解能NMRによる詳細解析
 1.4 まとめ
2 固体NMRによるプロトン導電性物質の状態解析
 2.1 はじめに
 2.2 2H NMR
  2.2.1 2H NMRのスペクトル解析
  2.2.2 2H NMRによるプロトン導電性高分子の解析
 2.3 13C NMR
 2.4 31P NMR
 2.5 おわりに

第7章 数値解析

1 第一原理計算の基礎と構造解析への応用
 1.1 はじめに
 1.2 第一原理計算法の基礎
  1.2.1 第一原理計算の基礎の基礎1)
  1.2.2 密度汎関数理論(DFT)
  1.2.3 第一原理計算の得手不得手
 1.3 第一原理計算を用いた欠陥形成に関する研究4)
 1.4 第一原理計算による拡散活性化エネルギーの研究12)
 1.5 ナノ計測と第一原理計算を融合した人工超格子の解析17)
 1.6 まとめ

2 複合材料のFEM解析におけるモデリングとマルチスケール解析
 2.1 複合材料と有限要素解析
 2.2 マルチスケール解析の必要性
 2.3 均質化解析―解析的手法による巨視的材料物性値の予測―
  2.3.1 均質化解析ステップ1 : 数値材料試験に基づく巨視的材料挙動の予測
  2.3.2 均質化解析ステップ2:カーブフィットによる材料物性値の同定
 2.4 破壊損傷解析への応用例
 2.5 局所化解析―ズーミングによる微視構造内部の応答評価―
 2.6 おわりに

第8章 量子ビーム研究基盤の産業活用―放射光,中性子,電子線の現状とこれから―
1 はじめに
2 電子線を用いた解析技術の現状とこれから
 2.1 電子顕微鏡技術応用の動向
 2.2 新たな分析技術の汎用化と応用の可能性
3 放射光,中性子の産業利用の現状とこれから
 3.1 放射光の産業利用
 3.2 フロンティアソフトマター開発専用ビームライン産学連合体
 3.3 中性子施設J-PARC
4 おわりに
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