所属
未来材料・システム研究所 附属高度計測技術実践センター 電子顕微鏡計測部 助教
大学院担当
大学院工学研究科
職名
助教
イシダ タカフミ
石田 高史
ISHIDA Takafumi
学位 1
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博士（工学） （ 2015年3月 名古屋大学 ）
研究分野 1
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その他 / その他 / 電子顕微鏡
現在の研究課題とSDGs 2
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高速ダイレクト電子検出器の開発と時間分解電子顕微鏡観察への応用
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フォトカソード電子銃をもちいた新規電子顕微鏡法の開発
経歴 2
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名古屋大学 未来材料・システム研究所 助教
2015年10月 - 現在
国名：日本国
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名古屋大学 エコトピア科学研究所 研究員
2015年4月 - 2015年9月
国名：日本国
学歴 3
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名古屋大学 工学研究科 電子情報システム専攻
2013年4月 - 2015年3月
国名： 日本国
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名城大学 理工学研究科 電気電子工学専攻
2011年4月 - 2013年3月
国名： 日本国
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名城大学 理工学部 電子電気工学科
2007年4月 - 2011年3月
国名： 日本国
所属学協会 3
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日本顕微鏡学会 会員
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応用物理学会 会員
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日本物理学会 会員
受賞 4
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The Japanese Society of Microscopy Award for the Scientific Paper (FUNDAMENTALS) in 2023
2023年6月 The Japanese Society of Microscopy
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風戸研究奨励賞
2023年3月 公益財団法人 風戸研究奨励会 SOI技術をもちいた高速電子直接検出器の開発
石田高史
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日本顕微鏡学会和文誌賞
2022年5月 公益社団法人 日本顕微鏡学会 パルス電子波を用いた時間分解透過電子顕微鏡
桒原真人、横井里奈、水野りら、冨樫将孝、吉田優也、永田渉、古井雅人、中蔵虎二郎、石田高史
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11th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '17 Excellent Presentation Award
2017年12月 11th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '17 Development of a voltage applying and heating specimen holder for observation of solid oxide fuel cell's reactions in environmental TEM
Takafumi Ishida
論文 20
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Development of silicon-on-insulator direct electron detector with analog memories in pixels for sub-microsecond imaging 招待有り 査読有り
Takafumi Ishida , Kosei Sugie , Toshinobu Miyoshi , Yuichi Ishida , Koh Saitoh , Yasuo Arai , Makoto Kuwahara
Microscopy 73 巻 ( 6 ) 頁： 511 - 516 2024年12月
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Carbonization of a Molybdenum Substrate Surface and Nanoparticles by a One-Step Method of Femtosecond Laser Ablation in a Hexane Solution 査読有り
Yoshiki Tanaka, Xi Yu, Shusaku Terakawa, Takafumi Ishida, Koh Saitoh, Hongwei Zhang, Toru Asaka, Fumihiro Itoigawa, Makoto Kuwahara, Shingo Ono
ACS Omega 8 巻 ( 8 ) 頁： 7932 - 7939 2023年2月
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Static Hydrophobic Cuprous Oxide Surface Fabricated via One-Step Laser-Induced Oxidation of a Copper Substrate 査読有り
Xi Yu, Yoshiki Tanaka, Tomoki Kakiuchi, Takafumi Ishida, Koh Saitoh, Fumihiro Itoigawa, Makoto Kuwahara, Shingo Ono
Micromachines 14 巻 ( 1 ) 頁： 185 2023年1月
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Ishida Takafumi, Owaki Takeshi, Ohtsuka Masahiro, Kuwahara Makoto, Saitoh Koh, Kawasaki Tadahiro
APPLIED PHYSICS EXPRESS 15 巻 ( 11 ) 頁： 115001 2022年11月
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Kuwahara Makoto, Mizuno Lira, Yokoi Rina, Morishita Hideo, Ishida Takafumi, Saitoh Koh, Tanaka Nobuo, Kuwahara Shota, Agemura Toshihide
APPLIED PHYSICS LETTERS 121 巻 ( 14 ) 頁： 143503 2022年10月
講演・口頭発表等 54
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高温超伝導体多結晶体中の自然粒界に対する臨界電流特性評価手法の開発
五味渕 太一、島田 和弥、畑野 敬史、石田 高史、長谷川 友大、山本 明保、飯田 和昌、生田 博志
第72回応用物理学会春季学術講演会 2025年3月15日 応用物理学会
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SOI技術を用いた高速撮影可能なダイレクト電子検出器の開発Ⅱ
石田 裕一、石田 高史、桑原 真人、新井 康夫、齋藤 晃
第72回応用物理学会春季学術講演会 2025年3月15日 応用物理学会
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SOIピクセル検出器の単電子検出性能の評価と電子線干渉実験への応用 招待有り
石田 裕一、石田 高史、桑原 真人、新井 康夫、齋藤 晃
第72回応用物理学会春季学術講演会 2025年3月15日 応用物理学会
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多層hBN/LaB6表面における仕事関数の第一原理計算
下谷 亮介、石田 高史、齋藤 晃
第72回応用物理学会春季学術講演会 2025年3月15日 応用物理学会
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SOI-CMOS技術を用いた高速電子直接検出型カメラの開発 招待有り
石田高史
ナノ荷電粒子ビーム産学連携委員会 ２０２５年（令和７年）第１回研究会 2025年1月24日 応用物理学会ナノ荷電粒子ビーム産学連携委員会
共同研究・競争的資金等の研究課題 3
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高解像・超高速SOI-CMOS電子直接検出型カメラの開発
2024年10月 - 2026年9月
官民による若手研究者発掘支援事業 マッチングサポートフェーズ
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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２次元物質およびホウ化物薄膜を用いたフォトカソードの開発
2024年9月 - 2026年3月
第34回自然科学系学術研究助成
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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SOI技術をもちいた高速電子直接検出器の開発
2023年4月 - 2025年3月
公益財団法人 風戸研究奨励会 風戸研究奨励賞
石田高史
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：2000000円
科研費 6
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ホロコーンビームを用いた高コントラスト・ダメージレス電子線イメージングの開発
研究課題/研究課題番号：25K08473 2025年4月 - 2028年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(C)
石田高史
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：4550000円 （ 直接経費：3500000円 、 間接経費：1050000円 ）
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研究課題/研究課題番号：22H03868 2022年4月 - 2026年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
齋藤 晃, 石田 高史
担当区分：研究分担者
本研究では、空間中を伝播する電子の波動関数を自在に操る技術の構築を目指し、光から電子への状態転写を利用したまったく新しい電子波の波動関数制御の可能性を実験的に検証する。応募者のグループがこれまで開発してきたスピン偏極パルス透過電子顕微鏡は、電子源として負の電気親和性をもつ半導体フォトカソード型電子銃を搭載している。このフォトカソードに振幅および位相に構造をもつレーザー光を入射し、光から電子への状態転写を利用して振幅および位相に構造をもつ電子線を生成する。この技術を利用した「ZコントラストTEM法」、 「電子らせん波の生成」および「構造化照明電子顕微鏡法」などの新しい電子顕微鏡法の開発を目指す。
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高輝度パルス電子線を用いた高速オペランドイメージング法の開拓
研究課題/研究課題番号：21H04637 2021年4月 - 2025年3月
科学研究費助成事業
桑原 真人
担当区分：研究分担者
ナノ電子プローブのパルス特性を発展させ、試料環境と同期した高輝度パルス電子線を応用した高速オペランドイメージング法の研究を進める。これにより、マイクロ秒を超えるナノ構造解析へと高度化することで、高速オペランド計測を介した実動作デバイスの逐次計測を実現し、時間的に変調する外部刺激に対するナノ物質の過渡現象の解明が可能となる。
また、動的なナノ構造解析を通してナノレベルで発現する構造変化を可視化し、局所的な電荷分布やエネルギー緩和過程、相転移などの学理的解明を目指す。さらに、非固定物質の計測を可能にし、生体高分子材料の非破壊、非固定計測を実現し、生体物質の構造機能解明を加速する。 -
空間電荷制限下で動作する薄膜フォトカソード電子銃における雑音低減の研究
研究課題/研究課題番号：21K14535 2021年4月 - 2023年3月
科学研究費助成事業 若手研究
石田 高史
担当区分：研究代表者
配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）
従来の電子源は放出電子数にばらつきがあり、そのばらつきが雑音となり電子顕微鏡像の像質を制限してきた。本研究ではこの制限を克服するためにこれまで電子源の電子放出性能を低下させるとされてきた空間電荷効果を活用し、放出電子を整列させることで量子雑音の低減を目指す。具体的には、空間電荷制限下で動作する薄膜フォトカソード電子銃を作製し、量子雑音が低減された連続・パルス電子線の生成および観測を行う。
本研究では電子銃から放出される電子線の雑音を低減可能な薄膜フォトカソード電子銃の開発を目的に、本年度は１）薄膜フォトカソードの作製、２）電子銃の電極設計・製作および真空チャンバーの立ち上げを主に進めた。１）薄膜フォトカソードの作製では、パルスレーザー堆積法を用いて酸化マグネシウム基板上に六ホウ化ランタンを成膜した。本薄膜は走査透過電子顕微鏡により結晶構造観察と組成分析を行った。六ホウ化ランタン薄膜は多結晶として成膜され、フォトカソードとして利用可能な結晶性薄膜であることがわかった。また基板と薄膜の界面は不純物が析出しておりターゲットの純度の向上が求められることもわかった。２）電子銃の電極設計・製作では、上記の薄膜フォトカソードが搭載可能な電極の設計・製作を進めた。薄膜フォトカソード表面の酸化膜を取り除くために真空中で１３００度以上の高温での加熱が必要となる。そのため電極には高融点材料あるモリブデンをもちいた。薄膜フォトカソードの加熱機構にはタングステンワイヤーによる抵抗加熱方式を採用した。真空チャンバーにヒータ付き電極を搭載し-１kVの電圧印加と１４００度を超える加熱が可能であることを確認した。真空チャンバーの立ち上げでは、スパッタイオンポンプに加え非蒸発型ゲッタポンプを真空チャンバーに搭載した。本真空チャンバーはベーキングにより超高真空が容易に達成され、光電子放出に十分な真空を準備することができた。
当初の計画では2021年度は１）薄膜フォトカソードの作製と２）電極の設計・作製を予定していた。１）については酸化マグネシウム基板上に六ホウ化ランタンを蒸着し、薄膜の作製に成功した。また２）にいてもアノードおよびカソードや加熱機構の開発が完了した。以上のように従来の目的は達成された。これに加えて半導体検出器やレンズステージの設計も完了し次年度の計画の遂行に過不足ない状況である。
高効率な電子線検出が可能な半導体検出器およびフォトカソードへの入射光をマイクロメートルオーダまで集光するためのレンズを真空内に保持するためのホルダーを作製した後、真空チャンバーに搭載し本フォトカソードでの電子放出特性を測定する。フォトカソードの結晶性の向上や電子銃の電極の改良についても実験の進捗に合わせ進める。 -
コヒーレント偏極電子プローブを活用した次世代スピン分析法の開発
研究課題/研究課題番号：17H02737 2017年4月 - 2021年3月
科学研究費補助金 基盤研究B
桑原 真人
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
スピン偏極電子線を用いたスピン検出実証のため、らせん磁性やスキルミオンなどの特異な磁性特性を発現するマルチフェロイック物質および磁性薄膜の合成を引き続き実施した。低真空環境下でも観察可能な酸化物強磁性体試料として、コバルト亜鉛系合金を合成した。これは、比較的高い温度でスキルミオンを生成するとされているβ-Mn構造を有するキラル磁性体である。これを、ローレンツ透過電子顕微鏡（LTEM）法によりCoZnNi合金、CoZnFe合金の二種類の磁気構造解析を行った。CoZnNi合金では室温におけるスキルミオン生成の再現性を確認し、表面状態による磁気構造の変化を観察した。CoZnFe合金では室温において特異ならせん磁気構造を観察することに成功した。
前年度に実現したスピン偏極電子線源を搭載した走査電子顕微鏡（SEM）を用いた計測を実施した。これにより、NEA表面を利用した電子銃と低真空度の試料室の両立が可能であることを実証した。しかし、電子源の量子効率低下がみられることから、駆動レーザー強度のフィードバックによる放出電流安定化が必要であることも示唆された。LTEM観察に成功した磁性試料をもちいて新型SEMで観察を行い、入射スピン方向に対する検出強度依存を測定した。スピンアップ・ダウンの２つの信号の差分SE像の取得を実施することに成功した。また、コンピューター上で差分強度マッピングを表示することに成功した。
スピン偏極電子を入射電子とする低加速SEMを活用し、従来のスピン偏極逆光電子分光法における空間分解能を超える分解能で非占有スピン状態マッピング実現のため、本年度は試料のバンドギャップ程度の低エネルギー電子により10μm以下の分解能が得られる条件を検討した。これにより、電子線励起由来の発光を計測することで、非占有状態を観察できるスピン偏極逆光電子分光およびその高精度マッピングが可能となる。
２０１９年度の研究内容は、１）スピン偏極電子銃を搭載した走査電子顕微鏡の実用性検討とそれを用いた磁性試料観察、2) コバルト亜鉛系合金の合成と磁性構造の観察、4)スピンアップ・ダウン走査電子顕微鏡像を用いたスピン差分像の取得、3) 低加速SEMによるスピン偏極電子マッピングの分解能特性の検討の４つである。これら４項目ともに当初計画通り進んでおり、次年度に控える研究に遅延などの影響を及ぼすことなく進行している。さらに、室温において特異な磁気特性を発現する磁性試料作成、スキルミオン状態を発現する外部印加磁場・温度条件を見出すことに成功しており、この点は当初計画よりも進んでいるところとなる。また、装置性能としての問題点も見出され、次年度に新たに改善すべき点を見出すことができている。これにより、次年度以降に計画されるコヒーレントスピン偏極電子線の応用とスピン依存性の計測が計画通り進められる見通しとなる。
２０１９年度に作成した装置と計測群、磁性試料をもちいてスピン依存性の計測に挑む。
低真空環境下でも観察可能な強磁性酸化物を試料とした、入射スピン方向に対する検出強度依存性の測定を引き続き進める。スピン差分BSE像における入射電子エネルギー依存を解析する信号処理シーケンスにより、コンピューター上に自動的に差分強度マッピングが表示される信号処理系を構築する。さらに、スピン差分強度が強い試料部分に走査ビームを固定し、そこから出力される信号の波高分析をすることで、スピン散乱断面積の極大値をとるエネルギー帯を探索する。これによって、スピン依存性を最大化した検出条件を探し、散乱断面積のスピン依存性を物質のフェルミレベル近傍の電子スピン状態と合わせて明らかにする。
学術貢献活動 3
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応用物理学会学術講演会プログラム編集委員（電子顕微鏡関連）
役割：企画立案・運営等
応用物理学会 2020年9月 - 現在
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日本顕微鏡学会学際的顕微研究領域若手研究部会幹事
役割：企画立案・運営等
2020年4月 - 2023年3月
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日本顕微鏡学会第75回学術講演会プログラム委員
役割：企画立案・運営等
日本顕微鏡学会 2019年3月 - 2019年6月