JP6502646B2 - Preparation method of electrode / electrolyte interface sample and in-situ observation method of potential distribution - Google Patents
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Description
この発明は、電気素子の観察技術に関し、特に電気素子を動作状態で観察するその場観察技術に関する。 The present invention relates to an observation technique of an electric element, and more particularly to an in-situ observation technique of observing an electric element in an operating state.
電気二重層キャパシタは、大電流で充放電が可能であり、また、電解コンデンサなどの他のキャパシタと比較して容量を大きくすることが可能である。そのため、電気二重層キャパシタは、電気自動車における電力の回生や、自然エネルギー発電を利用する際の出力安定化等において利用される高性能な蓄電装置として期待されている。しかしながら、電気二重層キャパシタのエネルギー密度は、十分に高いとは言えず、よりエネルギー密度の高い電気二重層キャパシタを開発することが求められている。このようなエネルギー密度の高い電気二重層キャパシタの開発は、電気二重層キャパシタを構成する電極構造等の最適化により進められるが、電極構造等の最適化を行うためには、電気二重層が形成された状態における電極/電解液界面近傍の電位分布を把握することが重要となる。 The electric double layer capacitor can be charged and discharged with a large current, and can have a larger capacity than other capacitors such as an electrolytic capacitor. Therefore, the electric double layer capacitor is expected as a high-performance power storage device used for regeneration of electric power in an electric vehicle, output stabilization when using natural energy power generation, and the like. However, the energy density of the electric double layer capacitor is not sufficiently high, and it is required to develop an electric double layer capacitor having a higher energy density. Development of such an electric double layer capacitor with high energy density can be promoted by optimization of the electrode structure etc. constituting the electric double layer capacitor, but in order to optimize the electrode structure etc., an electric double layer is formed It is important to understand the potential distribution near the electrode / electrolyte interface in the selected state.
物質中の電位分布は、電子線ホログラフィ技術を用いて観察することが可能である(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、通常、電子線ホログラフィ顕微鏡においては、試料は高真空の電子線ホログラフィ顕微鏡内部に配置されるため、一般的な電気二重層キャパシタを観察しようとすると、電解液に使用される溶媒が鏡筒内部で蒸発し、試料は電気二重層キャパシタとしての機能を失うとともに、電子線ホログラフィ顕微鏡の内部を汚染する虞がある。また、近年では、気密に保持するための薄膜で真空と仕切られた試料室に試料を配置し、特定のガス雰囲気下に保った状態で試料の観察を行うことが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この方法によれば、溶媒の蒸発を抑制することが可能であるが、試料室の大きさに制限があり、当該試料室に配置可能な電気二重層キャパシタとして機能する試料を作製する技術は確立していない。この問題は、電気二重層キャパシタをその場観察するための試料に限らず、リチウム電池等の電解液を有する電気素子をその場観察するための試料に共通する。 The potential distribution in the substance can be observed using an electron holography technique (see, for example, Patent Document 1). However, in an electron holography microscope, a sample is usually disposed inside a high vacuum electron holography microscope. Therefore, when a general electric double layer capacitor is to be observed, the solvent used for the electrolyte is a column. As it evaporates internally, the sample loses its function as an electric double layer capacitor and may contaminate the inside of the electron holography microscope. Also, in recent years, it has been proposed to arrange a sample in a sample chamber separated from a vacuum by a thin film for keeping airtight, and to observe the sample in a state of being kept under a specific gas atmosphere (for example, Patent Document 2). According to this method, it is possible to suppress the evaporation of the solvent, but the size of the sample chamber is limited, and a technology for producing a sample that functions as an electric double layer capacitor that can be disposed in the sample chamber is established. I did not. This problem is not limited to a sample for in-situ observation of an electric double layer capacitor, but is common to a sample for in-situ observation of an electric element having an electrolytic solution such as a lithium battery.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解液を有する電気素子を動作状態で観察するその場観察が可能な試料を作製する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the conventional problems described above, and it is an object of the present invention to provide a technique for producing a sample capable of in-situ observation for observing an electric element having an electrolytic solution in an operating state. Do.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本願発明の一形態としての試料の作製方法は、電解液を有する電気素子を動作状態で観察する電子線照射によるその場観察のための試料の作製方法であって、
前記電子線が透過可能な厚さの薄片部を有し、前記薄片部に前記電子線の進行方向の孔が形成された電極体を準備し、電極部とセパレータとを有し、前記孔から前記電子線の進行方向とは異なる方向に離れた接触位置において、前記セパレータを前記電極体に接触させることが可能なように構成された対電極体を準備し、前記孔に前記電解液が保持されるとともに、前記孔から前記接触位置まで前記電解液が連続するように前記電解液を前記電極体に付着させ、前記セパレータを前記接触位置に接触させることにより、前記セパレータを介して前記電極部を前記電解液に接触させることを特長とする。
この構成によれば、電解液が保持される電極体の孔から電子線の進行方向とは異なる方向に離れた接触位置において対電極体を接触させるため、電解液が保持される孔の部分の観察がより容易となる。また、対電極体の電極部は、孔から接触位置まで連続する電解液にセパレータを介して接触するので、試料を電気素子として動作させることができる。そのため、孔の周縁部を観察することにより、動作状態の電気素子の電極と電解液との界面近傍において発生する現象をその場観察することが可能となる。
さらに、孔を電子線が透過可能な厚さの薄片部に形成することにより、透過型電子顕微鏡や透過走査型電子顕微鏡を用いてその場観察することがより容易となる。また、対電極体は、孔が形成された薄片部から電子線の進行方向とは異なる方向に離れた位置に接触するので、対電極体を接触させる際に薄片部に損傷を与える虞を低減することができる。
In order to achieve at least a part of the above object, the present invention can be realized as the following forms or application examples.
A method for producing a sample as one embodiment of the present invention is a method for producing a sample for in-situ observation by electron beam irradiation in which an electric element having an electrolytic solution is observed in an operating state,
Preparing an electrode body having a thin section capable of transmitting the electron beam and having a hole in the direction of travel of the electron beam formed in the thin section; and having an electrode section and a separator; A counter electrode body configured to be capable of bringing the separator into contact with the electrode body at a contact position separated in a direction different from the traveling direction of the electron beam is prepared, and the electrolyte is held in the hole. And the electrolytic solution is attached to the electrode body so that the electrolytic solution is continued from the hole to the contact position, and the separator is brought into contact with the contact position, so that the electrode portion is interposed through the separator. In contact with the electrolyte solution.
According to this configuration, the counter electrode body is brought into contact at a contact position separated from the hole of the electrode body in which the electrolytic solution is held in the direction different from the traveling direction of the electron beam. Observation is easier. In addition, since the electrode portion of the counter electrode body is in contact with the electrolytic solution continuous from the hole to the contact position via the separator, the sample can be operated as an electric element. Therefore, by observing the peripheral portion of the hole, it is possible to observe in situ the phenomenon that occurs in the vicinity of the interface between the electrode of the electric element in the operating state and the electrolytic solution.
Furthermore, by forming the holes in a thin section of a thickness that allows transmission of an electron beam, it becomes easier to perform in-situ observation using a transmission electron microscope or a transmission scanning electron microscope. In addition, since the counter electrode body contacts the position separated from the thin plate portion in which the hole is formed in a direction different from the traveling direction of the electron beam, the risk of damaging the thin plate portion when contacting the counter electrode body is reduced. can do.
[適用例1]
電解液を有する電気素子を動作状態で観察する電子線照射によるその場観察のための試料の作製方法であって、前記電子線の進行方向の孔が形成された電極体を準備し、電極部とセパレータとを有し、前記孔から前記電子線の進行方向とは異なる方向に離れた接触位置において、前記セパレータを前記電極体に接触させることが可能なように構成された対電極体を準備し、前記孔に前記電解液が保持されるとともに、前記孔から前記接触位置まで前記電解液が連続するように前記電解液を前記電極体に付着させ、前記セパレータを前記接触位置に接触させることにより、前記セパレータを介して前記電極部を前記電解液に接触させる、試料の作製方法。
Application Example 1
A method of preparing a sample for in-situ observation by electron beam irradiation which observes an electric element having an electrolytic solution in an operating state, and preparing an electrode body in which a hole in the traveling direction of the electron beam is formed And preparing a counter electrode body configured to be capable of bringing the separator into contact with the electrode body at a contact position separated from the hole in a direction different from the traveling direction of the electron beam. And the electrolytic solution is attached to the electrode body so that the electrolytic solution is continued from the hole to the contact position, and the separator is brought into contact with the contact position. The method for producing a sample, wherein the electrode unit is brought into contact with the electrolytic solution through the separator.
この適用例によれば、電解液が保持される電極体の孔から電子線の進行方向とは異なる方向に離れた接触位置において対電極体を接触させるため、電解液が保持される孔の部分の観察がより容易となる。また、対電極体の電極部は、孔から接触位置まで連続する電解液にセパレータを介して接触するので、試料を電気素子として動作させることができる。そのため、孔の周縁部を観察することにより、動作状態の電気素子の電極と電解液との界面近傍において発生する現象をその場観察することが可能となる。 According to this application example, since the counter electrode body is brought into contact at a contact position separated from the hole of the electrode body in which the electrolytic solution is held in a direction different from the traveling direction of the electron beam, Observation is easier. In addition, since the electrode portion of the counter electrode body is in contact with the electrolytic solution continuous from the hole to the contact position via the separator, the sample can be operated as an electric element. Therefore, by observing the peripheral portion of the hole, it is possible to observe in situ the phenomenon that occurs in the vicinity of the interface between the electrode of the electric element in the operating state and the electrolytic solution.
[適用例2]
適用例1記載の試料の作製方法であって、前記孔は、前記電子線の進行方向に貫通する貫通孔である、試料の作製方法。
Application Example 2
A method of producing a sample according to Application Example 1, wherein the hole is a through hole penetrating in the traveling direction of the electron beam.
この適用例によれば、孔が電子線の進行方向に貫通しているので、孔に保持された電解液中で発生する現象をより明瞭に観察することが可能となる。 According to this application example, since the hole penetrates in the traveling direction of the electron beam, it is possible to observe the phenomenon occurring in the electrolytic solution held in the hole more clearly.
[適用例3]
適用例1または2記載の試料の作製方法であって、前記電極体は、前記電子線が透過可能な厚さの薄片部を有し、前記孔は、前記薄片部に形成されている、試料の作製方法。
Application Example 3
It is a manufacturing method of a sample given in Application Example 1 or 2, wherein the electrode body has a thin section which can transmit the electron beam, and the hole is formed in the thin section. How to make
この適用例によれば、孔を電子線が透過可能な厚さの薄片部に形成することにより、透過型電子顕微鏡や透過走査型電子顕微鏡を用いてその場観察することがより容易となる。また、対電極体は、孔が形成された薄片部から電子線の進行方向とは異なる方向に離れた位置に接触するので、対電極体を接触させる際に薄片部に損傷を与える虞を低減することができる。 According to this application example, by forming the holes in the thin section of a thickness that allows the transmission of the electron beam, it becomes easier to perform in-situ observation using a transmission electron microscope or a transmission scanning electron microscope. In addition, since the counter electrode body contacts the position separated from the thin plate portion in which the hole is formed in a direction different from the traveling direction of the electron beam, the risk of damaging the thin plate portion when contacting the counter electrode body is reduced. can do.
[適用例4]
適用例3記載の試料の作製方法であって、前記薄片部は、前記電極体の一端に形成されており、前記孔は、前記薄片部の端の近傍に形成されている、試料の作製方法。
Application Example 4
A method for producing a sample according to Application Example 3, wherein the thin section is formed at one end of the electrode body, and the hole is formed near an end of the thin section. .
この適用例によれば、薄片部を電極体の一端に形成し、孔を薄片部の端の近傍に形成することにより、孔の周縁部の電子線ホログラフィによる観察をより容易に行うことができる。 According to this application example, by forming the thin section at one end of the electrode body and forming the hole in the vicinity of the end of the thin section, it is possible to more easily observe the peripheral portion of the hole by electron holography. .
[適用例5]
適用例4記載の試料の作製方法であって、複数の前記孔が、前記薄片部の端に対して斜めに配列されている、試料の作製方法。
Application Example 5
A method of producing a sample according to Application Example 4, wherein the plurality of holes are arranged obliquely to an end of the thin section.
この適用例によれば、電子線ホログラフィによる観察がより容易な、薄片部の端の近傍に、電解液を保持可能な縁が切れていない孔をより容易に形成することができる。そのため、電子線ホログラフィによる観察に適した試料をより容易に作製することが可能となる。 According to this application example, it is possible to more easily form an uncut edge capable of holding the electrolytic solution in the vicinity of the end of the thin section, which is easier to observe by electron holography. Therefore, it is possible to more easily prepare a sample suitable for observation by electron holography.
[適用例6]
適用例4または5記載の試料の作製方法であって、前記電極体を構成する材料からなるバルク片を準備し、前記バルク片の端の近傍に前記電子線の進行方向の集束イオンビームを照射することにより、前記孔を形成し、前記バルク片の前記孔が形成された端部に前記電子線の進行方向とは異なる方向の集束イオンビームを照射することにより、前記薄片部を形成する、試料の作製方法。
Application Example 6
In the method for producing a sample according to Application Example 4 or 5, a bulk piece made of a material constituting the electrode body is prepared, and a focused ion beam in the traveling direction of the electron beam is irradiated in the vicinity of the end of the bulk piece. Forming the holes, and irradiating the end of the bulk piece where the holes are formed with the focused ion beam in a direction different from the traveling direction of the electron beam, thereby forming the thin portion How to make a sample.
この適用例では、孔を形成した後に、薄片部を形成しているので、孔の形成により薄片部が変形することを抑制することができる。 In this application example, since the thin section is formed after the holes are formed, it is possible to suppress deformation of the thin section by the formation of the holes.
[適用例7]
適用例6記載の試料の作製方法であって、前記孔の形成に先だって、前記孔が形成される端部に前記電子線の進行方向とは異なる方向の集束イオンビームを照射することにより、前記孔の形成に適した厚さの薄厚部を形成する、試料の作製方法。
Application Example 7
A method for producing a sample according to application example 6, wherein prior to the formation of the hole, the end portion where the hole is formed is irradiated with a focused ion beam in a direction different from the traveling direction of the electron beam. A method of preparing a sample, which forms a thin portion of a thickness suitable for forming a hole.
この適用例では、孔の形成に適した厚さの薄厚部を形成しているので、孔をより容易に形成することができる。 In this application, since the thin portion having a thickness suitable for forming the hole is formed, the hole can be formed more easily.
[適用例8]
適用例6または7記載の試料の作製方法であって、前記バルク片は、ガラス状構造を持つカーボンからなる、試料の作製方法。
Application Example 8
It is a manufacturing method of a sample given in Application Example 6 or 7, wherein the bulk piece is made of carbon having a glassy structure.
この適用例によれば、カーボン電極と電解液との界面において発生する現象をその場観察することができる。また、ガラス状構造を持つカーボンを使用することで、結晶構造に由来するノイズの発生を低減することができるので、カーボン電極と電解液との界面において発生する現象をより明瞭に観察することが可能となる。 According to this application example, the phenomenon occurring at the interface between the carbon electrode and the electrolytic solution can be observed in situ. Further, by using carbon having a glassy structure, generation of noise derived from the crystal structure can be reduced, so that the phenomenon occurring at the interface between the carbon electrode and the electrolytic solution can be observed more clearly. It becomes possible.
[適用例9]
適用例4記載の試料の作製方法であって、前記電極体を構成する第1の材料からなり細孔を有する多孔性粉末を準備し、前記多孔性粉末の粒子を、前記電極体を構成する第2の材料からなる支持体の一端に固定し、前記支持体の端部に固定された前記多孔性粉末の粒子に前記電子線の進行方向とは異なる方向の集束イオンビームを照射することにより、前記孔が形成された前記薄片部を形成する、試料の作製方法。
Application Example 9
It is a manufacturing method of a sample given in application example 4, and it prepares porous powder which consists of the 1st material which constitutes the above-mentioned electrode body, and has pores, and constitutes particles of the above-mentioned porous powder in the above-mentioned electrode body. By fixing to one end of the support made of the second material and irradiating the particles of the porous powder fixed to the end of the support with a focused ion beam in a direction different from the traveling direction of the electron beam A method for producing a sample, wherein the thin section in which the hole is formed is formed.
一般に、電気素子の電極としては、多孔体粉末を固定した電極が使用される。そのため、この適用例によれば、電極と電解液との界面において発生する現象を、より実際の電気素子により近い状況において観察することが可能となる。 Generally, an electrode on which porous powder is fixed is used as an electrode of an electric element. Therefore, according to this application example, it is possible to observe the phenomenon occurring at the interface between the electrode and the electrolyte in a situation closer to that of an actual electric element.
[適用例10]
適用例9記載の試料の作製方法であって、前記多孔性粉末は、活性炭粉末である、試料の作製方法。
Application Example 10
A method of producing a sample according to application example 9, wherein the porous powder is an activated carbon powder.
この適用例によれば、カーボン電極と電解液との界面において発生する現象をその場観察することができる。また、活性炭粉末を使用することで、結晶構造に由来するノイズの発生を低減することができるので、カーボン電極と電解液との界面において発生する現象をより明瞭に観察することが可能となる。 According to this application example, the phenomenon occurring at the interface between the carbon electrode and the electrolytic solution can be observed in situ. Further, by using activated carbon powder, the generation of noise derived from the crystal structure can be reduced, so that the phenomenon occurring at the interface between the carbon electrode and the electrolytic solution can be observed more clearly.
[適用例11]
適用例1ないし10のいずれか記載の試料の作製方法であって、前記電解液は、イオン液体である、試料の作製方法。
Application Example 11
A method of producing a sample according to any of application examples 1 to 10, wherein the electrolytic solution is an ionic liquid.
一般にイオン液体は蒸気圧が低く、真空中においてもほとんど蒸発しない。そのため、試料を真空中に配置する一般的な電子顕微鏡を用いて、その場観察をすることが可能となる。 In general, ionic liquids have low vapor pressure and hardly evaporate even in vacuum. Therefore, in-situ observation can be performed using a general electron microscope in which the sample is placed in a vacuum.
[適用例12]
電子線ホログラフィによる電解液を有する電気素子の動作状態における電位分布のその場観察方法であって、適用例4ないし10のいずれか記載の作製方法によって作製された試料を準備し、前記試料の前記電極体と前記対電極体との間に電圧を印加した状態における、前記孔の周縁部の第1の電子線ホログラムを取得し、前記試料の前記電極体と前記対電極体との間に電圧を印加しない状態における、前記孔の周縁部の第2の電子線ホログラムを取得し、前記第1と第2の電子線ホログラムから、位相シフト法(例えば、非特許文献1に示される手法)により第1と第2の再生位相像をそれぞれ生成し、前記第1の再生位相像から前記第2の再生位相像を引いた差分位相像を生成して、前記電極体と前記対電極体との間に電圧を印加した状態における、前記孔の周縁部における電位分布を観察する、電位分布のその場観察方法。
Application Example 12
A method for in-situ observation of potential distribution in an operating state of an electric device having an electrolytic solution by electron holography, comprising: preparing a sample manufactured by the manufacturing method according to any one of application examples 4 to 10; A first electron beam hologram of the peripheral portion of the hole is acquired in a state where a voltage is applied between the electrode body and the counter electrode body, and a voltage is applied between the electrode body of the sample and the counter electrode body. The second electron beam hologram of the peripheral portion of the hole is obtained in a state where no voltage is applied, and from the first and second electron beam holograms, a phase shift method (for example, the method disclosed in Non-Patent Document 1) First and second reproduction phase images are respectively generated, and a differential phase image obtained by subtracting the second reproduction phase image from the first reproduction phase image is generated, and the electrode body and the counter electrode body are State of applying voltage between In, observing potential distribution at the peripheral portion of the hole, in situ observation method of potential distribution.
この適用例では、孔の周縁部の電子線ホログラフィによる観察に適した試料を用いているので、電子線ホログラムをより容易に取得できる。そして、位相シフト法により再生位相像を生成することにより、空間分解能が高い再生位相像および差分位相像が生成されるので、電極と電解液との界面における電位分布をより詳細に観察することが可能となる。 In this application example, since a sample suitable for the observation by the electron holography of the peripheral portion of the hole is used, the electron beam hologram can be obtained more easily. Then, by generating a reproduced phase image by the phase shift method, a reproduced phase image and a differential phase image with high spatial resolution are generated, so that the potential distribution at the interface between the electrode and the electrolyte can be observed in more detail. It becomes possible.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、試料の作製方法およびその作製方法を利用した試料の観察方法、試料の作製の際に用いる装置および試料の作製に適した観察装置等の態様で実現することができる。 The present invention can be realized in various aspects. For example, the present invention can be realized in an aspect such as a sample preparation method and a sample observation method using the sample preparation method, an apparatus used in sample preparation, and an observation apparatus suitable for sample preparation.
本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A.第1実施形態:
A1.電位分布のその場観察:
A2.電位分布の観察対象:
A3.モデル試料:
A4.電極体の作製:
A5.モデル試料での電位分布の観察:
A6.第1実施例:
B.第2実施形態:
B1.電極体の作製とモデル試料の形成:
B2.第2実施例:
C.変形例:
Embodiments of the present invention will be described in the following order.
A. First embodiment:
A1. In-situ observation of potential distribution:
A2. Observation target of potential distribution:
A3. Model sample:
A4. Preparation of electrode body:
A5. Observation of potential distribution in model sample:
A6. First embodiment:
B. Second embodiment:
B1. Preparation of electrode body and formation of model sample:
B2. Second embodiment:
C. Modification:
A.第1実施形態:
A1.電位分布のその場観察:
図1は、試料SPC中における電位分布のその場観察を行う様子を示す説明図である。電位分布のその場観察を行う電位分布観察装置10は、電子線ホログラフィ顕微鏡100と、直流電源装置200とを備えている。電子線ホログラフィ顕微鏡100の内部に配置された試料SPCと、出力電圧が可変な直流電源装置200とは、2本のリード線12,14により接続されている。
A. First embodiment:
A1. In-situ observation of potential distribution:
FIG. 1 is an explanatory view showing in-situ observation of potential distribution in a sample SPC. The potential distribution observation device 10 for performing in-situ observation of the potential distribution includes an electron holography microscope 100 and a DC power supply device 200. The sample SPC disposed inside the electron beam holographic microscope 100 and the DC power supply 200 having a variable output voltage are connected by two lead wires 12 and 14.
電子線ホログラフィ顕微鏡100は、電子線照射装置110と、対物レンズ120と、電子線バイプリズム130とを備えている。電子線ホログラフィ顕微鏡100は、像面に形成された像を観察面に拡大投影するための中間レンズおよび投影レンズと、観察面に拡大投影された像を取得する撮像装置とを有しているが、図1では、それらの図示を省略している。 The electron beam holography microscope 100 includes an electron beam irradiation device 110, an objective lens 120, and an electron beam biprism 130. The electron holography microscope 100 has an intermediate lens and a projection lens for enlarging and projecting an image formed on the image plane on the observation plane, and an imaging device for acquiring the image enlarged and projected on the observation plane. In FIG. 1, their illustration is omitted.
電子線照射装置110は、電子源112と、集束レンズ114とを有している。所定の加速電圧で加速され電子源112から射出された電子線は、集束レンズ114によってほぼ平行な電子線となる。ほぼ平行な電子線は、試料SPCが配置された試料面を通過して、対物レンズ120に入射する。対物レンズ120に入射した電子線は、一旦収束された後、電子線バイプリズム130に入射する。 The electron beam irradiation apparatus 110 has an electron source 112 and a focusing lens 114. The electron beam accelerated by the predetermined acceleration voltage and emitted from the electron source 112 becomes an approximately parallel electron beam by the focusing lens 114. The substantially parallel electron beam passes through the sample surface on which the sample SPC is disposed, and enters the objective lens 120. The electron beam entering the objective lens 120 is once converged and then enters the electron biprism 130.
図1に示すように、試料SPCは、試料面のうちのほぼ半分の観察領域AOに配置される。試料SPCが配置された観察領域AOでは、入射した電子線が試料SPCと相互作用することにより、波としての電子線(電子波)の位相や振幅が変化する。一方、試料面のうち試料SPCが配置されていない領域(真空領域)AVを通過した電子線は、試料SPCとの相互作用がないため、電子波の位相や振幅は変化しない。一般に、観察領域AOを通過した電子波は物体波Ψoと呼ばれ、真空領域AVを通過した電子波は参照波Ψrと呼ばれる。 As shown in FIG. 1, the sample SPC is disposed in an observation area AO of approximately half of the sample surface. In the observation area AO in which the sample SPC is disposed, the incident electron beam interacts with the sample SPC to change the phase or amplitude of the electron beam (electron wave) as a wave. On the other hand, the electron beam that has passed through the area (vacuum area) AV where the sample SPC is not disposed in the sample surface has no interaction with the sample SPC, so the phase and amplitude of the electron wave do not change. In general, an electron wave that has passed through the observation area AO is called an object wave o, and an electron wave that has passed through the vacuum area AV is called a reference wave r.
電子線バイプリズム130は、導電性のフィラメント132と、フィラメント132を挟み込む一対の接地電極134とから構成されている。フィラメント132には、接地電極134に対して正の電圧が印加される。なお、図1では、接地電極134を平行平板として描いているが、接地電極134の形状はこの限りでない。一般に、接地電極134は、フィラメント132に面する側が平面となっていれば、種々の形状とすることが可能である。 The electron biprism 130 is composed of a conductive filament 132 and a pair of ground electrodes 134 sandwiching the filament 132. A positive voltage is applied to the filament 132 with respect to the ground electrode 134. Although the ground electrode 134 is drawn as a parallel flat plate in FIG. 1, the shape of the ground electrode 134 is not limited to this. In general, the ground electrode 134 can have various shapes as long as the side facing the filament 132 is flat.
フィラメント132に正の電圧を印加することにより、負の電荷を持つ電子線がフィラメント132に引き寄せられる。これにより、試料面を通過して電子線バイプリズム130に入射した電子線は、物体波Ψoと参照波Ψrとに分割される。分割された物体波Ψoと参照波Ψrとは互いに重畳されるように屈折し、物体波Ψoと参照波Ψrとが重畳される。なお、第1実施形態では、物体波Ψoと参照波Ψrとを重畳させるため、フィラメント132に接地電極134に対して正の電圧を印加しているが、電子線光学系の構成によっては、物体波Ψoと参照波Ψrとを重畳させるため、フィラメント132に接地電極134に対して負の電圧が印加される。 By applying a positive voltage to the filament 132, an electron beam having a negative charge is attracted to the filament 132. Thereby, the electron beam which has passed through the sample surface and entered the electron biprism 130 is divided into the object wave Ψo and the reference wave Ψr. The divided object wave Ψ o and the reference wave よ う r are refracted so as to be superimposed on each other, and the object wave Ψ o and the reference wave Ψ r are superimposed. In the first embodiment, a positive voltage is applied to the filament 132 to the ground electrode 134 in order to superimpose the object wave o and the reference wave r, but depending on the configuration of the electron beam optical system, the object may be an object. A negative voltage is applied to the filament 132 with respect to the ground electrode 134 in order to overlap the wave o and the reference wave r.
このとき、電子源112から射出される電子線が可干渉であれば、像面において重畳された物体波Ψoと参照波Ψrとが干渉して、電子の干渉縞IFFが形成される。可干渉な電子源としては、例えば、電界放出型の電子銃を用いることが可能である。このように形成される干渉縞IFFは、物体波Ψoと参照波Ψrとの位相差が変化することによりその形態が変化する。そのため、試料面において電子線が電場や磁場などと相互作用して物体波Ψoの位相が変化すると、干渉縞IFFに歪みが生じる。そこで、干渉縞の歪みを解析することにより、物体波Ψoの位相を再生し、位相差を生じさせる電場や磁場等の状態を可視化することが可能となる。また、試料SPCにより電子線が遮られ、物体波Ψoの振幅が小さくなった場合には、試料SPCの像ISPが像面に形成される。 At this time, if the electron beam emitted from the electron source 112 is coherent, the object wave Ψo superimposed on the image plane and the reference wave Ψr interfere with each other to form an electron interference fringe IFF. As the coherent electron source, for example, it is possible to use a field emission type electron gun. The form of the interference fringes IFF formed in this way changes as the phase difference between the object wave Ψ o and the reference wave Ψ r changes. Therefore, when an electron beam interacts with an electric field, a magnetic field, or the like on the sample surface to change the phase of the object wave Ψo, distortion occurs in the interference fringe IFF. Therefore, by analyzing the distortion of the interference fringes, it is possible to reproduce the phase of the object wave Ψo and visualize the state of the electric field or the magnetic field that causes a phase difference. In addition, when the electron beam is blocked by the sample SPC and the amplitude of the object wave o decreases, an image ISP of the sample SPC is formed on the image plane.
干渉縞の歪みを解析して物体波Ψoの位相を再生する処理は、像面に形成された干渉縞IFFを観察面に拡大投影した干渉縞に対して行われる。具体的には、像面に形成された干渉縞IFFは、中間レンズと投影レンズ(いずれも図示しない)とによって観察面に拡大投影される。観察面に拡大投影された干渉縞は、観察面に設けられた電荷結合素子(CCD)等の撮像装置(図示しない)により取得される。物体波Ψoの位相は、撮像装置により取得された干渉縞をコンピュータ等を用いて解析処理することにより再生することができる。干渉縞からの位相の再生は、位相シフト法(例えば、非特許文献1参照)等の種々の位相再生方法を用いて行うことができる。このように、物体波Ψoと参照波Ψrを干渉させて得られた干渉縞IFF(電子線ホログラム)から物体波Ψoの位相を再生する技術(電子線ホログラフィ)を用いることにより、試料SPC中における電位分布を観察することができる。なお、位相再生方法として位相シフト法を用いると、再生された再生位相像の空間分解能を0.5nm程度まで高くすることができる。そのため、第1実施形態においては、位相の再生に位相シフト法を用いている。 The process of analyzing the distortion of the interference fringes and reproducing the phase of the object wave Ψ o is performed on the interference fringes obtained by enlarging and projecting the interference fringes IFF formed on the image plane on the observation plane. Specifically, the interference fringes IFF formed on the image plane are enlarged and projected on the observation surface by an intermediate lens and a projection lens (neither of which is shown). The interference fringes enlarged and projected on the observation surface are acquired by an imaging device (not shown) such as a charge coupled device (CCD) provided on the observation surface. The phase of the object wave Ψo can be reproduced by analyzing the interference fringes obtained by the imaging device using a computer or the like. The reproduction of the phase from the interference fringes can be performed using various phase reproduction methods such as a phase shift method (see, for example, Non-Patent Document 1). Thus, by using the technique (electron holography) of reproducing the phase of the object wave o from the interference fringe IFF (electron beam hologram) obtained by causing the object wave o and the reference wave r to interfere with each other, Potential distribution can be observed. When the phase shift method is used as the phase reproduction method, the spatial resolution of the reproduced phase image can be increased to about 0.5 nm. Therefore, in the first embodiment, the phase shift method is used to reproduce the phase.
A2.電位分布の観察対象:
図2は、電位分布の観察対象となる電気二重層キャパシタ(EDLC:Electric Double-Layer Capacitor)300と、EDLC300における電荷および電位の分布とを示す説明図である。図2(a)は、EDLC300に電圧を印加している状態を示す模式図である。EDLC300は、対向する集電極312,322と、各集電極312,322上に配置された活性炭電極314,324と、セパレータ330と、2つの集電極312,322の間に充填される電解液340とを有している。
A2. Observation target of potential distribution:
FIG. 2 is an explanatory view showing an electric double-layer capacitor (EDLC: Electric Double-Layer Capacitor) 300 which is an observation target of the potential distribution, and the distribution of charge and potential in the EDLC 300. FIG. 2A is a schematic view showing a state in which a voltage is applied to the EDLC 300. As shown in FIG. The EDLC 300 includes an opposing collector electrode 312, 322, activated carbon electrodes 314, 324 disposed on the respective collector electrodes 312, 322, a separator 330, and an electrolytic solution 340 filled between the two collector electrodes 312, 322. And.
集電極312と活性炭電極314とは、EDLC300の第1の電極310を構成し、集電極322と活性炭電極324とは、EDLC300の第2の電極320を構成している。セパレータ330は、これら2つの電極310,320を電気的に隔離するとともに、電解液340中のイオンを透過して2つの電極310,320の間でのイオン伝導性を確保する。 The collector electrode 312 and the activated carbon electrode 314 constitute a first electrode 310 of the EDLC 300, and the collector electrode 322 and the activated carbon electrode 324 constitute a second electrode 320 of the EDLC 300. The separator 330 electrically isolates the two electrodes 310 and 320 and transmits ions in the electrolytic solution 340 to ensure ion conductivity between the two electrodes 310 and 320.
図2(a)に示すように、活性炭電極314,324は、多数の活性炭粒子360から構成されている。また、活性炭粒子360自体も、図示しない多数の細孔を有している。そのため、2つの集電極312,322の間に電解液340が充填されると、電解液340は、活性炭粒子360間の空隙、および、活性炭粒子360が有する細孔に入り込む。これにより、電極310,320と電解液340との接触界面の面積が広くなる。 As shown in FIG. 2A, the activated carbon electrodes 314 and 324 are composed of a large number of activated carbon particles 360. The activated carbon particles 360 themselves also have a large number of pores (not shown). Therefore, when the electrolytic solution 340 is filled between the two collector electrodes 312 and 322, the electrolytic solution 340 enters the voids between the activated carbon particles 360 and the pores of the activated carbon particles 360. Thereby, the area of the contact interface between the electrodes 310 and 320 and the electrolytic solution 340 is increased.
図2(a)の例では、直流電源PSの正極が第1の電極310に接続され、直流電源PSの負極が第2の電極320に接続されている。このようにして、第1の電極310と第2の電極320の間に電圧を印加すると、電気二重層(後述する)が、電極310,320と電解液340との広い界面に形成される。電極310,320と電解液340との界面に形成される電気二重層は、電荷を蓄積する機能を有しているので、EDLC300は、大容量のキャパシタとして機能する。 In the example of FIG. 2A, the positive electrode of the DC power supply PS is connected to the first electrode 310, and the negative electrode of the DC power supply PS is connected to the second electrode 320. In this way, when a voltage is applied between the first electrode 310 and the second electrode 320, an electric double layer (described later) is formed at the wide interface between the electrodes 310 and 320 and the electrolyte 340. The electric double layer formed at the interface between the electrodes 310 and 320 and the electrolytic solution 340 has a function of storing charge, so the EDLC 300 functions as a large capacity capacitor.
図2(b)は、図2(a)において破線で示した領域における活性炭粒子360間の電荷の分布を示す模式図である。図2(a)に示すように、第1の電極310(以下、「正電極」とも呼ぶ)側が正、第2の電極320(以下、「負電極」とも呼ぶ)側が負となるように電圧を印加すると、図2(b)に示すように、正電極310を構成する活性炭粒子360においては、電解液340との界面近傍に正の電荷が集まる。一方、電解液340においては、正電極310を構成する活性炭粒子360との界面近傍に負の電荷を持つアニオンが集まる。このように、正電極310の活性炭粒子360と、電解液340との界面には、正負の電荷が対となって配列した層(電気二重層)が形成され、正負の電荷が蓄積される。なお、図2(b)では、正電極310を構成する2つの活性炭粒子360と、電解液340との界面で電気二重層が形成される様子を示しているが、電気二重層は、両電極間310,320と、電解液340との全ての接触界面に形成される。 FIG. 2 (b) is a schematic view showing the distribution of the charge between the activated carbon particles 360 in the region shown by the broken line in FIG. 2 (a). As shown in FIG. 2A, a voltage is applied so that the first electrode 310 (hereinafter also referred to as “positive electrode”) side is positive and the second electrode 320 (hereinafter also referred to as “negative electrode”) side is negative. Is applied, as shown in FIG. 2B, in the activated carbon particles 360 constituting the positive electrode 310, positive charges gather in the vicinity of the interface with the electrolytic solution 340. On the other hand, in the electrolyte solution 340, anions having a negative charge gather in the vicinity of the interface with the activated carbon particles 360 constituting the positive electrode 310. Thus, a layer (electric double layer) in which positive and negative charges are arranged in pairs is formed at the interface between the activated carbon particles 360 of the positive electrode 310 and the electrolytic solution 340, and the positive and negative charges are accumulated. In addition, although a mode that an electric double layer is formed in the interface of the two activated carbon particles 360 which comprise the positive electrode 310, and the electrolyte solution 340 is shown in FIG.2 (b), an electric double layer is both electrodes The contact interfaces are formed at all contact interfaces with the electrolyte 310 and between the electrodes 310 and 320.
図2(c)は、図2(b)に示す活性炭粒子360間における電位分布を示すグラフである。図2(c)の横軸は、図2(b)における左右方向の位置を表している。また、図2(c)の縦軸は、各位置における電位を任意単位(AU)で表している。活性炭粒子360に対応する位置(活性炭部分)では、活性炭粒子360が導電性を有するため、電位は、両電極間310,320間に印加した電圧に応じた一定の値となる。そして、電解液340に対応する位置(電解液部分)では、電解液340中のアニオンよびカチオンの分布に応じて、活性炭粒子360との界面から中央に向かって電位が低下する。具体的には、図2(b)に示すようにアニオンが集中する界面付近では、電位が急速に低下し、その後、界面から離れるに従って、漸近的に0電位(第1と第2の電極310,320の中間の電位)に近づいていく。第1実施形態では、このような電解液部分における電位の空間的な変化すなわち電位分布を、EDLC300に相当するモデル試料(後述する)を用いて、電子線ホログラフィにより観察する。 FIG.2 (c) is a graph which shows the electric potential distribution between the activated carbon particle 360 shown in FIG.2 (b). The horizontal axis of FIG. 2 (c) represents the position in the left-right direction in FIG. 2 (b). Moreover, the vertical axis | shaft of FIG.2 (c) represents the electric potential in each position in arbitrary units (AU). At the position corresponding to the activated carbon particle 360 (activated carbon portion), since the activated carbon particle 360 has conductivity, the potential becomes a constant value according to the voltage applied between both electrodes 310 and 320. Then, at a position (electrolyte solution portion) corresponding to the electrolyte solution 340, the potential decreases from the interface with the activated carbon particles 360 toward the center according to the distribution of anions and cations in the electrolyte solution 340. Specifically, as shown in FIG. 2 (b), the potential drops rapidly near the interface where the anions are concentrated, and then asymptotically approaches zero potential (the first and second electrodes 310 as they move away from the interface). , 320)). In the first embodiment, such a spatial change in potential of the electrolyte portion, that is, the potential distribution is observed by electron holography using a model sample (described later) corresponding to the EDLC 300.
A3.モデル試料:
図3は、EDLC300(図2)のモデル試料900の構成を模式的に示す模式図である。モデル試料900は、電極体910と、電極体910に塗布されたイオン液体940と、セパレータ930と、活性炭電極924と、電極板922とを有している。電極板922は、銅等の金属からなる幅の狭い板材であり、その電極体910側の面に、活性炭電極924と、セパレータ930とが、この順に取り付けられている。なお、活性炭電極924は、本発明における電極部に相当し、活性炭電極924とセパレータ930との全体は、本発明における対電極体に相当する。
A3. Model sample:
FIG. 3 is a schematic view schematically showing the configuration of the model sample 900 of the EDLC 300 (FIG. 2). The model sample 900 includes an electrode body 910, an ionic liquid 940 applied to the electrode body 910, a separator 930, an activated carbon electrode 924, and an electrode plate 922. The electrode plate 922 is a narrow plate made of metal such as copper, and the activated carbon electrode 924 and the separator 930 are attached to the surface on the electrode body 910 side in this order. The activated carbon electrode 924 corresponds to the electrode portion in the present invention, and the whole of the activated carbon electrode 924 and the separator 930 corresponds to the counter electrode body in the present invention.
電極体910に塗布されるイオン液体は、アニオンとカチオンとの少なくとも一方が有機化合物からなる常温付近で液体の塩であり、電解液として機能する。一般に、電位分布を観察する際、モデル試料900は、高真空の電子線ホログラフィ顕微鏡100の内部に配置される。このとき、電解液として水等の溶媒に電解質を溶解した電解質溶液を用いると、溶媒が蒸発し、電解液としての機能がなくなるとともに、電子線ホログラフィ顕微鏡100の内部を汚染する虞がある。そのため、第1実施形態においては、電解液として、蒸気圧が極めて低く、真空中でほとんど蒸発しないイオン液体を用いている。このようなイオン液体としては、アンモニウム系、イミダゾリウム系、コリン系、スルホニウム系、ピラゾリウム系、ピリジニウム系、ピロリジニウム系、あるいは、ホスホニウム系の種々のイオン液体を使用することができる。但し、電位分布を観察する際には、イオン液体が塗布された領域に電子線が照射されるので、耐還元性が高いピロリジニウム系のイオン液体を用いるのが好ましい。 The ionic liquid applied to the electrode body 910 is a salt of a liquid at about normal temperature in which at least one of the anion and the cation is an organic compound, and functions as an electrolytic solution. Generally, when observing the potential distribution, the model sample 900 is placed inside the high vacuum electron holographic microscope 100. At this time, if an electrolytic solution in which the electrolyte is dissolved in a solvent such as water is used as the electrolytic solution, the solvent is evaporated, the function as the electrolytic solution is lost, and the inside of the electron beam holography microscope 100 may be contaminated. Therefore, in the first embodiment, an ionic liquid which has an extremely low vapor pressure and hardly evaporates in vacuum is used as the electrolytic solution. As such an ionic liquid, various ionic liquids of ammonium type, imidazolium type, choline type, sulfonium type, pyrazolium type, pyridinium type, pyrrolidinium type or phosphonium type can be used. However, when observing the potential distribution, since the region to which the ionic liquid is applied is irradiated with the electron beam, it is preferable to use a pyrrolidinium-based ionic liquid having high reduction resistance.
電極体910は、ガラス状構造を持つカーボン(グラッシーカーボン)をガリウムなどのイオンを細く絞った集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)を用いて加工すること(集束イオンビーム法)により作製される。なお、電極体910の具体的な作製方法については、後述する。グラッシーカーボンから作製された電極体910は、厚みがあるバルク部912と、電子線が透過可能な厚さ(例えば、100nm)の薄片部914とを有している。薄片部914の先端部には、電子線ホログラフィ顕微鏡100(図1)における電子線の進行方向(以下、「電子線進行方向」と呼ぶ)に貫通する複数の貫通孔916が設けられている。なお、貫通孔916は、電子線進行方向に貫通しているので、貫通孔916は、電子線進行方向の孔と謂うことができる。 The electrode body 910 is manufactured by processing carbon (glassy carbon) having a glassy structure using a focused ion beam (FIB: Focused Ion Beam) in which ions such as gallium are finely narrowed (focused ion beam method) . A specific method of producing the electrode body 910 will be described later. The electrode body 910 made of glassy carbon has a bulk portion 912 having a large thickness and a thin portion 914 having a thickness (for example, 100 nm) through which an electron beam can be transmitted. A plurality of through holes 916 penetrating in the traveling direction of the electron beam in the electron holography microscope 100 (FIG. 1) (hereinafter, referred to as “electron beam traveling direction”) are provided at the tip of the thin section 914. Since the through holes 916 penetrate in the electron beam traveling direction, the through holes 916 can be referred to as holes in the electron beam traveling direction.
図3に示すように、電極体910の先端部に適量のイオン液体940を塗布すると、表面張力により、貫通孔916にイオン液体940が保持される。このように、貫通孔916にイオン液体940が保持された状態で、セパレータ930をバルク部912のイオン液体940が塗布された部分に接触させると、EDLC300(図2)に相当するモデル試料900が形成される。 As shown in FIG. 3, when an appropriate amount of ionic liquid 940 is applied to the tip of the electrode body 910, the ionic liquid 940 is held in the through holes 916 by surface tension. Thus, when the separator 930 is brought into contact with the portion of the bulk portion 912 to which the ionic liquid 940 is applied while the ionic liquid 940 is held in the through holes 916, the model sample 900 corresponding to the EDLC 300 (FIG. 2) It is formed.
図4は、モデル試料900(図3)を試料ホルダ700に取り付けた様子を示す説明図である。ここで、試料ホルダ700とは、電子線ホログラフィ顕微鏡100(図1)の試料面において試料SPC(すなわち、モデル試料900)を保持するための機構である。なお、図示の便宜上、図4では、試料ホルダ700のうち、試料SPCを取り付ける試料取付部を拡大して図示している。この試料ホルダ700を電子線ホログラフィ顕微鏡100に取り付けた状態では、電子線は、紙面の表側から裏側に向かって進行する。 FIG. 4 is an explanatory view showing the model sample 900 (FIG. 3) attached to the sample holder 700. As shown in FIG. Here, the sample holder 700 is a mechanism for holding the sample SPC (that is, the model sample 900) on the sample surface of the electron holography microscope 100 (FIG. 1). Note that, for convenience of illustration, in FIG. 4, the sample attachment portion to which the sample SPC is attached in the sample holder 700 is enlarged and illustrated. When the sample holder 700 is attached to the electron holography microscope 100, the electron beam travels from the front side to the back side of the paper surface.
試料ホルダ700は、外枠710と、外枠710に固定された絶縁板722,732と、銅等の金属で形成された固定板724,734と、止めネジ728,738とを有している。固定板724,734には、それぞれ、穴726,736とが設けられている。止めネジ728,738を、穴726,736を通して締め付けることにより、固定板724,734は、試料ホルダ700に固定される。固定板724,734は、それぞれ別個のリード線(図示しない)を介して直流電源装置200(図1)に接続されており、固定板724,734の間に電圧を印加することが可能となっている。 The sample holder 700 has an outer frame 710, insulating plates 722, 732 fixed to the outer frame 710, fixing plates 724, 734 formed of metal such as copper, and set screws 728, 738. . The fixing plates 724 and 734 are provided with holes 726 and 736, respectively. Fixing plates 724, 734 are fixed to sample holder 700 by tightening set screws 728, 738 through holes 726, 736. Fixing plates 724 and 734 are connected to DC power supply 200 (FIG. 1) through separate lead wires (not shown), respectively, and it becomes possible to apply a voltage between fixing plates 724 and 734. ing.
電極体910は、導電性テープや導電性ペースト等を用いて、銅等の金属で形成された支持板740に貼り付けられる。そして、電極体910を貼り付けた支持板740を、固定板724と絶縁板722との間に挟み込むことにより、電極体910は試料ホルダ700に固定される。固定された電極体910の先端部には、図3に示すように、イオン液体940が塗布される。イオン液体940の塗布の後、電極板922の先端がバルク部912のイオン液体940が塗布された部分に位置するように調整して、固定板734と絶縁板732との間に電極板922を挟み込む。これにより、電極板922に取り付けられたセパレータ930(図3)がイオン液体940に接触し、モデル試料900が形成される。 The electrode body 910 is attached to a support plate 740 formed of a metal such as copper using a conductive tape, a conductive paste, or the like. The electrode body 910 is fixed to the sample holder 700 by sandwiching the support plate 740 to which the electrode body 910 is attached between the fixing plate 724 and the insulating plate 722. An ionic liquid 940 is applied to the tip of the fixed electrode body 910, as shown in FIG. After application of the ionic liquid 940, the tip of the electrode plate 922 is adjusted to be positioned at the portion of the bulk portion 912 where the ionic liquid 940 is applied, and the electrode plate 922 is placed between the fixing plate 734 and the insulating plate 732. Pinch. Thereby, the separator 930 (FIG. 3) attached to the electrode plate 922 is in contact with the ionic liquid 940, and the model sample 900 is formed.
A4.電極体の作製:
図5は、電極体910の作製工程を示す工程図である。電極体910の作製工程では、まず、グラッシーカーボンのバルク片910aを準備する(図5(a))。ここでバルク片910aとは、機械的な取り扱いが十分に可能な大きさ(例えば、幅および長さが2〜5mm、厚さが1〜2mm)のグラッシーカーボンの小片をいう。バルク片910aは、例えば、バルク片910aよりも大きいグラッシーカーボン部材を割ることにより得ることが可能である。また、ダイシング等の種々の加工方法により、グラッシーカーボン部材からバルク片910aを切り出すものとしても良い。得られたバルク片910aは、図4に示すように、支持板740を介して試料ホルダ700に取り付けられる。
A4. Preparation of electrode body:
FIG. 5 is a process diagram showing a manufacturing process of the electrode body 910. As shown in FIG. In the manufacturing process of the electrode body 910, first, a bulk piece 910a of glassy carbon is prepared (FIG. 5 (a)). Here, the bulk piece 910a refers to a small piece of glassy carbon having a size (for example, a width and a length of 2 to 5 mm, and a thickness of 1 to 2 mm) sufficient for mechanical handling. The bulk piece 910a can be obtained, for example, by breaking a glassy carbon member larger than the bulk piece 910a. Alternatively, the bulk piece 910 a may be cut out of the glassy carbon member by various processing methods such as dicing. The obtained bulk piece 910a is attached to the sample holder 700 via the support plate 740, as shown in FIG.
試料ホルダ700にバルク片910aを取り付けた後、バルク片910aの先端部の薄厚化を行う。具体的には、図5(b)に示すように、バルク片910a(図5(a))の先端部に、電子線進行方向と直交する方向のFIBを照射して、貫通孔916c(図5(c))の形成に適した厚さ(例えば、0.5〜2μm)の薄厚部914bを形成する。これにより、薄厚部914bと、バルク部912とを有するバルク片910bが得られる。 After the bulk piece 910a is attached to the sample holder 700, thinning of the tip of the bulk piece 910a is performed. Specifically, as shown in FIG. 5 (b), the tip of the bulk piece 910a (FIG. 5 (a)) is irradiated with FIB in a direction perpendicular to the direction of travel of the electron beam to form a through hole 916c (figure A thin portion 914b of a thickness (e.g., 0.5 to 2 [mu] m) suitable for the formation of 5 (c) is formed. As a result, a bulk piece 910 b having a thin portion 914 b and a bulk portion 912 is obtained.
次いで、薄厚部914bに電子線進行方向に貫通した貫通孔916cを形成する。具体的には、図5(c)に示すように、薄厚部914b(図5(b))の端(エッジ)付近に、電子線進行方向のFIBを照射することにより、貫通孔916cを形成する。これにより、貫通孔916cが形成された薄厚部914cと、バルク部912とを有するバルク片910cが得られる。 Then, a through hole 916c penetrating in the direction of electron beam travel is formed in the thin portion 914b. Specifically, as shown in FIG. 5C, the through hole 916c is formed by irradiating FIB in the electron beam traveling direction in the vicinity of the end (edge) of the thin portion 914b (FIG. 5B). Do. Thereby, the bulk piece 910c which has the thin part 914c in which the through-hole 916c was formed, and the bulk part 912 is obtained.
貫通孔916cが形成された薄厚部914cは、電子線が透過可能な厚さまで薄片化される。具体的には、図5(d)に示すように、電子線進行方向と直交する方向のFIBを照射することにより、薄片部914を形成する。これにより、電子線が透過可能で、貫通孔916が形成された薄片部914と、バルク部912とを有する電極体910が得られる。なお、このように、第1実施形態では、貫通孔916cが形成された薄厚部914cを薄片化し、薄片部914を形成している。このように、貫通孔916cを形成した後に薄片化を行うことにより、貫通孔916の形成により薄片化された部分が変形するのを抑制することができる。 The thin portion 914c in which the through hole 916c is formed is thinned to a thickness that allows transmission of the electron beam. Specifically, as shown in FIG. 5D, the thin section 914 is formed by irradiating the FIB in the direction orthogonal to the electron beam traveling direction. As a result, an electrode body 910 having a thin section 914 in which the electron beam can be transmitted and in which the through holes 916 are formed and a bulk section 912 is obtained. As described above, in the first embodiment, the thin portion 914c in which the through hole 916c is formed is thinned to form the thin portion 914. As described above, by performing the thinning after forming the through holes 916 c, it is possible to suppress the deformation of the thinned portion due to the formation of the through holes 916.
A5.モデル試料での電位分布の観察:
図6は、貫通孔916の周縁部における断面図を示しており、電荷分布と、当該周縁部を透過する際の電子線の位相変化量とを示す説明図である。図6(a)および図6(b)は、それぞれ、電極体910(図3)と電極板922との間に電圧を印加していない状態における、電荷分布と、電子線の位相変化量とを示している。図6(a)に示すように、電極体910に塗布されたイオン液体940は、貫通孔916の外側の薄片部914では、ほぼ均一な厚さとなっている。一方、貫通孔916の内側においては、貫通孔916の縁(貫通孔縁)から内側に向かってイオン液体940の厚さが減少する。そして、貫通孔縁からの距離が長くなると、イオン液体940の厚さは、ほぼ均一となる。なお、厚さがほぼ均一になった領域においては、イオン液体940の厚さは、薄片部914の厚さと同程度になる。
A5. Observation of potential distribution in model sample:
FIG. 6 is a cross-sectional view of the peripheral portion of the through hole 916, and is an explanatory view showing the charge distribution and the amount of phase change of the electron beam when passing through the peripheral portion. 6 (a) and 6 (b) show the charge distribution and the amount of phase change of the electron beam in the state where no voltage is applied between the electrode body 910 (FIG. 3) and the electrode plate 922, respectively. Is shown. As shown in FIG. 6A, the ionic liquid 940 applied to the electrode body 910 has a substantially uniform thickness in the thin section 914 outside the through hole 916. On the other hand, inside the through hole 916, the thickness of the ionic liquid 940 decreases inward from the edge (through hole edge) of the through hole 916. Then, as the distance from the through hole edge becomes longer, the thickness of the ionic liquid 940 becomes substantially uniform. In the region where the thickness is substantially uniform, the thickness of the ionic liquid 940 is approximately the same as the thickness of the thin portion 914.
電圧を印加していない状態においては、薄片部914中の自由電子と、イオン液体940中のイオンとは、それぞれの内部で均一に分布して、薄片部914とイオン液体940の全領域が電気的に中性となる。そのため、電子線の位相変化量は、透過する材料の内部電位による位相変化量のみの和として観察される。具体的には、薄片部914を透過する電子線の位相変化量は、図6(b)に示すように、右上から左下方向のハッチングを付した薄片部914自体の内部電位による位相変化量と、左上から右下方向のハッチングを付した薄片部914を覆うイオン液体940の内部電位による位相変化量との和になる。上述のように、貫通孔916の外側の薄片部914では、イオン液体940は、ほぼ均一な厚さで電極材料を覆っている。そのため、薄片部914を覆っているイオン液体940による位相変化量は、ほぼ一定の値となる。一方、貫通孔916の内側では、イオン液体940の厚さの変化に伴って、イオン液体940による位相変化量が変化する。 When no voltage is applied, the free electrons in the thin section 914 and the ions in the ionic liquid 940 are uniformly distributed in the interior, and all areas of the thin section 914 and the ionic liquid 940 are electrically It becomes neutral. Therefore, the amount of phase change of the electron beam is observed as the sum of only the amount of phase change due to the internal potential of the transmitting material. Specifically, as shown in FIG. 6B, the amount of phase change of the electron beam transmitted through the thin part 914 is the amount of phase change due to the internal potential of the thin part 914 itself hatched in the direction from the upper right to the lower left. And the amount of change in phase due to the internal potential of the ionic liquid 940 covering the thin section 914 hatched in the direction from the upper left to the lower right. As described above, in the thin section 914 outside the through hole 916, the ionic liquid 940 covers the electrode material with a substantially uniform thickness. Therefore, the amount of phase change due to the ionic liquid 940 covering the thin portion 914 has a substantially constant value. On the other hand, inside the through hole 916, the amount of phase change due to the ionic liquid 940 changes as the thickness of the ionic liquid 940 changes.
図6(c)および図6(d)は、それぞれ、電極体910(図3)と電極板922との間に電圧を印加した状態における、電荷分布と、電子線の位相変化量とを示している。図6(c)に示すように、電圧を印加しても、イオン液体940の形態はほとんど変化しない。しかしながら、薄片部914中では正の電荷がイオン液体940との界面に集まるとともに、イオン液体940中ではアニオンが薄片部914との界面に集まることで、電気二重層が形成される。 6 (c) and 6 (d) show the charge distribution and the amount of phase change of the electron beam in the state where a voltage is applied between the electrode body 910 (FIG. 3) and the electrode plate 922, respectively. ing. As shown in FIG. 6C, the form of the ionic liquid 940 hardly changes even when a voltage is applied. However, in the thin section 914, a positive charge is collected at the interface with the ionic liquid 940, and in the ionic liquid 940, an anion is collected at the interface with the thin section 914 to form an electric double layer.
このように、電圧を印加すると、薄片部914自体と、薄片部914を覆うイオン液体940中の電位は、電圧を印加しない場合よりも高くなる。そのため、薄片部914を透過する電子線の位相変化量は、図6(d)に示すように、左右方向のハッチングを付した電圧印加による位相変化量の分だけ大きくなる。一方、貫通孔916の内側では、イオン液体940中の電位は、図2(c)に示すように、貫通孔縁から内側に向かって低下する。そのため、図6(d)において上下方向のハッチングを付した貫通孔916の内側における電圧印加による位相変化量は、この電位の変化に応じて、貫通孔縁に近い領域では、急速に低下し、その後、内側に進むに従って、漸近的に0に近づいていく。 Thus, when a voltage is applied, the potentials in the thin section 914 itself and the ionic liquid 940 covering the thin section 914 become higher than in the case where no voltage is applied. Therefore, as shown in FIG. 6D, the amount of phase change of the electron beam transmitted through the thin portion 914 is increased by the amount of phase change due to the voltage application hatched in the left and right direction. On the other hand, inside the through hole 916, the potential in the ionic liquid 940 decreases inward from the edge of the through hole as shown in FIG. 2 (c). Therefore, the amount of phase change due to voltage application inside the through hole 916 hatched in the vertical direction in FIG. 6 (d) decreases rapidly in the region near the through hole edge according to the change in potential. Then, as it moves inward, it approaches asymptotically to zero.
このように、電気二重層が形成されることによるイオン液体940中の電位分布は、貫通孔916の内側における、電圧印加による位相変化量として観察される。そのため、電圧を印加した状態で観察される位相変化量から、電圧を印加しなかった状態で観察される位相変化量を引いた差を求めることにより、電気二重層によるイオン液体940中の電位分布を観察することが可能となる。 Thus, the potential distribution in the ionic liquid 940 due to the formation of the electric double layer is observed as a phase change amount due to voltage application inside the through hole 916. Therefore, the potential distribution in the ionic liquid 940 by the electric double layer is obtained by obtaining a difference obtained by subtracting the amount of phase change observed in the state without voltage application from the phase change amount observed in the state with voltage applied. It is possible to observe
A6.第1実施例:
[電極体の作製]
イオン液体中の電位分布を観察するため、電気二重層キャパシタのモデル試料を構成する試料電極(図3の電極体910に相当する)を作製した。具体的には、グラッシーカーボンの板材を割り、図5のバルク片910aに相当するグラッシーカーボンの小片(以下、「カーボン小片」とも呼ぶ)を得た。その後、上述のように、得られたカーボン小片の先端部をガリウムのFIBで加工することにより、貫通孔が設けられた薄片部を形成し、試料電極を作製した。
A6. First embodiment:
[Preparation of electrode body]
In order to observe the potential distribution in the ionic liquid, a sample electrode (corresponding to the electrode body 910 in FIG. 3) constituting a model sample of the electric double layer capacitor was manufactured. Specifically, a glassy carbon plate material was broken to obtain small pieces of glassy carbon (hereinafter also referred to as "carbon small pieces") corresponding to the bulk pieces 910a of FIG. Thereafter, as described above, the tip portion of the obtained carbon piece was processed with FIB of gallium to form a thin portion provided with a through hole, thereby producing a sample electrode.
図7は、FIBを走査することにより、貫通孔を形成したカーボン小片の先端部を撮影したFIB像である。図7(a)は、カーボン小片の先端部全体を撮影したFIB像であり、図7(b)は、貫通孔の形成部分を拡大撮影したFIB像である。なお、図7(a)および図7(b)の各FIB像は、図5(d)のように電子線が透過可能となるように薄片化する前の、貫通孔を形成した段階(図5(c))における先端部(薄厚部914cを含む領域に相当する)の様子を示している。 FIG. 7 is an FIB image obtained by imaging the tip of a carbon piece having a through hole formed by scanning the FIB. FIG. 7 (a) is an FIB image obtained by imaging the entire tip portion of the carbon piece, and FIG. 7 (b) is an FIB image obtained by magnifying the formed portion of the through hole. In each of the FIB images in FIGS. 7A and 7B, as shown in FIG. 5D, the through holes are formed before thinning so that the electron beam can be transmitted (see FIG. The appearance of the tip portion (corresponding to the region including the thin portion 914c) in 5 (c) is shown.
第1実施例では、図5で示したように、貫通孔を形成する前に、カーボン小片(図5(a)のバルク片910aに相当する)の先端部を薄厚化した。そのため、図7(a)に示すように、カーボン小片の先端部には、薄厚化により平坦な面が形成されている。そして、薄厚化した先端部をFIBで加工することにより、図7(b)に示すように、電子線進行方向に貫通する貫通孔が形成されている。図7(a)および図7(b)のFIB像を撮影した後、さらに、図7(a)の矢印に示すように、先端部にFIBを照射して薄片化し、試料電極を得た。なお、第1実施例においては、図7(b)に示すように、複数の貫通孔を先端部の端に対して斜めに配列した。一般に、電子線ホログラフィによる観察は、先端部の端から離れた位置で行うのが困難である。そこで、第1実施例では、先端部の端により近い位置に縁が切れていない貫通孔をより容易に形成するため、複数の貫通孔を先端部の端に対して斜めに配列した。但し、単一の貫通孔を形成するものとしても良く、また、複数の貫通孔を先端部の端に対して平行に配列することも可能である。 In the first embodiment, as shown in FIG. 5, the tip of the carbon piece (corresponding to the bulk piece 910a in FIG. 5A) is thinned before the through hole is formed. Therefore, as shown in FIG. 7A, a flat surface is formed at the tip of the carbon piece by thinning. Then, by processing the thinned tip portion with FIB, as shown in FIG. 7B, a through hole penetrating in the electron beam traveling direction is formed. After the FIB images of FIG. 7A and FIG. 7B were photographed, as shown by the arrows in FIG. 7A, the tip was irradiated with FIB to be sliced to obtain a sample electrode. In the first embodiment, as shown in FIG. 7B, the plurality of through holes are arranged obliquely to the end of the tip. In general, electron holography observation is difficult to perform at a position away from the end of the tip. Therefore, in the first embodiment, in order to more easily form through holes whose edges are not cut at a position closer to the end of the tip, the plurality of through holes are arranged obliquely to the end of the tip. However, a single through hole may be formed, and a plurality of through holes may be arranged parallel to the end of the tip.
[イオン液体の塗布]
試料電極を作製した後、イオン液体を試料電極の先端部に塗布した。なお、塗布するイオン液体としては、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムをカチオンとし、ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミドをアニオンとするピロリジニウム系のイオン液体を使用した。
[Application of ionic liquid]
After producing the sample electrode, the ionic liquid was applied to the tip of the sample electrode. In addition, as an ionic liquid to apply | coat, the ionic liquid of the pyrrolidinium type | system | group which makes 1-butyl- 1-methyl pyrrolidinium a cation, and makes a bis (trifluoromethyl sulfonyl) imide an anion was used.
図8は、イオン液体の塗布前後における貫通孔部分の透過電子顕微鏡像(TEM像)である。図8(a)および図8(b)のTEM像は、それぞれ、イオン液体の塗布前およびイオン液体の塗布後の状態を示している。図8(a)に示すように、薄片化を行った後においても、縁が切れていない貫通孔が試料電極の先端部に形成されていることが確認できた。また、図8(b)に示すように、イオン液体を試料電極の先端部に塗布することにより、貫通孔にイオン液体が保持されることが確認できた。 FIG. 8 is a transmission electron microscope image (TEM image) of the through hole portion before and after application of the ionic liquid. The TEM images of FIG. 8 (a) and FIG. 8 (b) show the state before application of the ionic liquid and after application of the ionic liquid, respectively. As shown in FIG. 8 (a), it was confirmed that the through holes whose edges were not cut were formed at the tip of the sample electrode even after thinning. Further, as shown in FIG. 8B, it was confirmed that the ionic liquid is held in the through hole by applying the ionic liquid to the tip of the sample electrode.
[電子線ホログラムの撮影と再生位相像の生成]
イオン液体を試料電極の先端部に塗布した後、図3に示すように、試料電極(図3の電極体910に相当する)に塗布されたイオン液体940に、活性炭電極924を介して電極板922に取り付けられたセパレータ930を接触させ、モデル試料を形成した。そして、試料電極と電極板922との間に印加する電圧(印加電圧)を変えながら、貫通孔部分の電子線ホログラム(以下、単に「ホログラム」とも呼ぶ)を撮影した。なお、第1実施例においては、試料電極側が正、電極板側が負となるように電圧を印加した。次いで、この撮影したホログラムをコンピュータにより解析処理することにより、再生位相像を生成した。
[Photograph of electron beam hologram and generation of reproduction phase image]
After the ionic liquid is applied to the tip of the sample electrode, as shown in FIG. 3, the ionic liquid 940 applied to the sample electrode (corresponding to the electrode body 910 in FIG. 3) A separator 930 attached to 922 was brought into contact to form a model sample. Then, while changing the voltage (applied voltage) applied between the sample electrode and the electrode plate 922, an electron beam hologram (hereinafter, also simply referred to as "hologram") of the through hole portion was photographed. In the first example, a voltage was applied so that the sample electrode side was positive and the electrode plate side was negative. Next, the photographed hologram was analyzed by a computer to generate a reproduction phase image.
図9は、貫通孔部分のホログラムと再生位相像である。図9(a)ないし図9(c)は、それぞれ、印加電圧を0V,1.5V,2.5Vとしたときのホログラムである。図9(d)ないし図9(f)は、それぞれ、印加電圧を0V,1.5V,2.5Vとしたときの再生位相像である。図9(a)ないし図9(c)のホログラムにおいて、貫通孔の外側、すなわち、試料電極の内周端において、干渉縞が大きく歪んでいる領域の存在が確認された。この領域は、試料電極を加工する際に使用したガリウム(Ga)がグラッシーカーボンに入り込んだGa挿入部である。Ga挿入部では、試料電極の内部電位がガリウムの存在により変化する。そのため、Ga挿入部を透過した電子線の位相変化量は、ガリウムが入り込んでいない領域と異なったものとなる。このようなGa挿入部と、試料電極の他の領域との位相変化量の違いは、図9(d)ないし図9(f)の再生位相像においても確認された。 FIG. 9 shows a hologram and a reproduction phase image of the through hole portion. FIGS. 9A to 9C are holograms when the applied voltage is 0 V, 1.5 V and 2.5 V, respectively. FIGS. 9D to 9F are reproduction phase images when the applied voltage is 0 V, 1.5 V and 2.5 V, respectively. In the holograms of FIGS. 9A to 9C, the presence of a region in which the interference fringes are greatly distorted was confirmed on the outside of the through hole, that is, on the inner peripheral end of the sample electrode. This region is a Ga insertion portion in which gallium (Ga) used when processing the sample electrode has entered glassy carbon. In the Ga insertion part, the internal potential of the sample electrode changes due to the presence of gallium. Therefore, the amount of phase change of the electron beam transmitted through the Ga insertion portion is different from that of the region where gallium does not enter. The difference in the amount of phase change between such a Ga insertion part and the other area of the sample electrode was also confirmed in the reproduced phase images of FIGS. 9 (d) to 9 (f).
一方、貫通孔内側のイオン液体の部分においては、Ga挿入部のような大きな位相変化は生じない。そのため、図9(a)ないし図9(c)のホログラムにおいて、干渉縞の歪みとしてイオン液体部分の位相分布を確認することは、必ずしも容易でない。しかしながら、図9(d)ないし図9(f)の再生位相像においては、貫通孔の内部における位相変化量の分布を明瞭に観察することができた。 On the other hand, in the portion of the ionic liquid inside the through hole, a large phase change as in the Ga insertion portion does not occur. Therefore, in the holograms of FIGS. 9A to 9C, it is not always easy to confirm the phase distribution of the ionic liquid portion as distortion of the interference fringes. However, in the reproduced phase images of FIGS. 9 (d) to 9 (f), the distribution of the amount of phase change inside the through hole could be clearly observed.
[差分位相像の生成と電位分布の観察]
上述の通り、電気二重層によるイオン液体中の電位分布は、電圧を印加した状態で観察される位相変化量から、電圧を印加しなかった状態で観察される位相変化量を引いた差を求めることにより観察される。そこで、印加電圧を1.5Vおよび2.5Vとしたときの再生位相像、すなわち、図9(e)および図9(f)に示す再生位相像から、印加電圧を0Vとしたときの再生位相像(図9(d))を引いた、差分位相像を生成した。なお、以下では、印加電圧をxV(xは、任意の実数)としたときの再生位相像から、印加電圧を0Vとしたときの再生位相像を引いた差分位相像を、印加電圧をxVととしたときの差分位相像とも呼ぶ。
[Generation of differential phase image and observation of potential distribution]
As described above, the potential distribution in the ionic liquid by the electric double layer is obtained by subtracting the amount of phase change observed without applying a voltage from the amount of phase change observed with applying a voltage. By observation. Therefore, from the reproduced phase images when the applied voltage is 1.5 V and 2.5 V, that is, from the reproduced phase images shown in FIGS. 9E and 9F, the reproduced phase when the applied voltage is 0 V. A differential phase image is generated by subtracting the image (FIG. 9 (d)). In the following, a differential phase image obtained by subtracting the reproduced phase image when the applied voltage is 0 V from the reproduced phase image when the applied voltage is xV (x is an arbitrary real number) is xV and the applied voltage is xV. It is also called a differential phase image when
図10は、再生位相像から生成された差分位相像である。図10(a)および図10(b)は、それぞれ、印加電圧を1.5Vおよび2.5Vとしたときの差分位相像である。図10(a)および図10(b)から分かるように、試料電極の部分において、印加電圧を2.5Vとしたときの位相変化量は、印加電圧を1.5Vとしたときの位相変化量よりも大きくなっている。このことから、試料電極に電圧が印加されていることが分かる。また、印加電圧が1.5Vと2.5Vとのいずれの場合においても、貫通孔の内側のイオン液体部分における位相変化量は、試料電極側で大きくなっていた。この位相変化量の分布は、試料電極とイオン液体との界面において形成される電気二重層による電位分布に相当する。 FIG. 10 is a differential phase image generated from the reproduction phase image. FIGS. 10A and 10B are differential phase images when the applied voltage is 1.5 V and 2.5 V, respectively. As can be seen from FIGS. 10A and 10B, in the portion of the sample electrode, the amount of phase change when the applied voltage is 2.5 V is the amount of phase change when the applied voltage is 1.5 V. It is bigger than that. From this, it can be understood that a voltage is applied to the sample electrode. In addition, in either case of the applied voltage of 1.5 V or 2.5 V, the amount of phase change in the ionic liquid portion inside the through hole was large on the sample electrode side. The distribution of the amount of phase change corresponds to the potential distribution of the electric double layer formed at the interface between the sample electrode and the ionic liquid.
[位相変化量プロファイルの評価]
電気二重層が電位分布に影響を与える範囲を評価するため、電位分布に相当する位相変化量プロファイルを評価した。具体的には、図10(a)および図10(b)において、白い枠で囲った領域について、貫通孔の縁から内側方向(プロファイル評価方向)の位相変化量プロファイルを求めた。
[Evaluation of phase change profile]
In order to evaluate the range in which the electric double layer affects the potential distribution, the phase variation profile corresponding to the potential distribution was evaluated. Specifically, in FIGS. 10A and 10B, the phase change amount profile in the inward direction (profile evaluation direction) from the edge of the through hole was determined for the area surrounded by the white frame.
図11は、差分位相像から求められた位相変化量プロファイルを示すグラフである。図11(a)および図11(b)は、それぞれ、印加電圧を1.5Vおよび2.5Vとしたときの、位相変化量プロファイルを示している。図11(a)および図11(b)において、横軸は、貫通孔縁からの距離(単位は、nm)を表し、縦軸は、位相変化量(単位は、rad)を表している。 FIG. 11 is a graph showing a phase change amount profile obtained from the differential phase image. FIGS. 11A and 11B show phase change amount profiles when the applied voltage is 1.5 V and 2.5 V, respectively. In FIGS. 11A and 11B, the horizontal axis represents the distance from the through hole edge (unit: nm), and the vertical axis represents the amount of phase change (unit: rad).
図11(a)および図11(b)から分かるように、印加電圧を高くすると、位相変化量の絶対値は大きくなるが、プロファイルの形態はほとんど変化しなかった。そして、印加電圧が1.5Vおよび2.5Vのいずれの場合においても、貫通孔縁からの距離、すなわち、電極と電解液(イオン液体)の界面からの距離が180nmの位置で、位相変化量はほぼ0radとなった。これは、電気二重層による電位分布の拡がる範囲が180nmであることを表している。このことから、電気二重層キャパシタ(図2のEDLC300)において、第1実施例で用いたイオン液体を電解液として使用する場合には、活性炭粒子360間の空隙もしくは活性炭粒子360が有する細孔の半径が180nm以上となると、電気容量が飽和することが分かった。すなわち、第1実施例で用いたイオン液体を電解液として使用する電気二重層キャパシタの容量を大きくするためには、半径が180nm以下の細孔を多くするのが好ましいことが分かった。 As can be seen from FIGS. 11A and 11B, when the applied voltage is increased, the absolute value of the amount of phase change is increased, but the form of the profile is hardly changed. And, even when the applied voltage is 1.5 V or 2.5 V, the phase change amount at a distance from the edge of the through hole, ie, at a distance of 180 nm from the interface between the electrode and the electrolytic solution (ionic liquid) Became almost 0 rad. This indicates that the spread range of the potential distribution by the electric double layer is 180 nm. From this, in the case of using the ionic liquid used in the first embodiment as an electrolytic solution in the electric double layer capacitor (EDLC 300 of FIG. 2), the gaps between the activated carbon particles 360 or the pores of the activated carbon particles 360 are It was found that when the radius was 180 nm or more, the capacitance was saturated. That is, it was found that it is preferable to increase the number of pores having a radius of 180 nm or less in order to increase the capacity of the electric double layer capacitor using the ionic liquid used in the first embodiment as an electrolytic solution.
このように、第1実施形態および第1実施例によれば、電極体910に形成された薄片部914の先端部に貫通孔916を設けるとともに、電極体910の先端付近にイオン液体940を塗布している。このとき、イオン液体940が有する表面張力により、貫通孔916にはイオン液体940が保持されるとともに、イオン液体940は、貫通孔916から、セパレータ930が接触する位置まで、連続した状態で、電極体910に付着している。そのため、セパレータ930を電極体910に接触させると、活性炭電極924がセパレータ930を介してイオン液体940に接触する。これにより、モデル試料900は、電気二重層キャパシタとして機能する。 As described above, according to the first embodiment and the first example, the through hole 916 is provided at the tip of the thin part 914 formed in the electrode body 910, and the ionic liquid 940 is applied near the tip of the electrode body 910. doing. At this time, the ionic liquid 940 is held in the through hole 916 by the surface tension of the ionic liquid 940, and the ionic liquid 940 continues to the electrode from the through hole 916 to the position where the separator 930 contacts. It adheres to the body 910. Therefore, when the separator 930 is in contact with the electrode body 910, the activated carbon electrode 924 contacts the ionic liquid 940 through the separator 930. Thus, the model sample 900 functions as an electric double layer capacitor.
また、セパレータ930が接触するバルク部912は、貫通孔916から電子線進行方向と異なる方向に離れた位置にあるので、貫通孔916の周縁部の観察をより容易に行うことができるとともに、セパレータ930を接触させることによる薄片部914の損傷を抑制することができる。さらに、貫通孔916は、電極体910の一端に形成された薄片部914の先端部、すなわち、薄片部914の端の近傍に形成されているので、より容易に、貫通孔916の周縁部を電子線ホログラフィにより観察することができる。そして、貫通孔916周縁部のホログラムを撮影し、ホログラムを解析処理することにより、貫通孔916周縁部の電位分布を観察することができる。 Further, since the bulk portion 912 in contact with the separator 930 is at a position separated from the through hole 916 in the direction different from the electron beam traveling direction, observation of the peripheral portion of the through hole 916 can be more easily performed. Damage to the thin section 914 due to contact with the 930 can be suppressed. Furthermore, since the through hole 916 is formed at the end of the thin part 914 formed at one end of the electrode body 910, that is, near the end of the thin part 914, the peripheral part of the through hole 916 can be more easily It can be observed by electron holography. Then, the hologram of the peripheral portion of the through hole 916 is photographed, and the hologram is analyzed, whereby the potential distribution of the peripheral portion of the through hole 916 can be observed.
なお、第1実施形態および第1実施例では、電極体910をグラッシーカーボンから形成しているが、電極体を金属等の他の導電素材を用いて形成することも可能である。但し、結晶構造に由来するノイズの発生を低減することができ、イオン液体940を含む領域の電位分布をより明瞭に観察することが可能となる点で、グラッシーカーボンを用いるのが好ましい。 Although the electrode body 910 is formed of glassy carbon in the first embodiment and the first example, it is also possible to form the electrode body using another conductive material such as metal. However, it is preferable to use glassy carbon in that generation of noise derived from the crystal structure can be reduced and the potential distribution in the region including the ionic liquid 940 can be observed more clearly.
さらに、第1実施形態および第1実施例では、貫通孔916を形成して貫通孔916の周縁部を観察しているが、周縁部を観察する孔は、必ずしも貫通している必要はない。但し、孔の内部における電位分布をより明瞭に観察することが可能になる点で、貫通孔916を形成し、その貫通孔916の周縁部を観察するのが好ましい。 Furthermore, in the first embodiment and the first example, the through hole 916 is formed to observe the peripheral portion of the through hole 916, but the hole for observing the peripheral portion does not necessarily have to penetrate. However, it is preferable to form the through hole 916 and observe the peripheral portion of the through hole 916 in that the potential distribution in the inside of the hole can be observed more clearly.
B.第2実施形態:
第2実施形態は、電位分布の観察に使用するモデル試料に、グラッシーカーボンのバルク片910a(図5)から作製された電極体910に換えて、活性炭粉末を用いて作製された電極体を用いる点で、第1実施形態と異なっている。他の点は、第1実施形態と同様であるので、ここでは、第1実施形態と同様な事項については、その説明を省略する。
B. Second embodiment:
In the second embodiment, an electrode body manufactured using activated carbon powder is used instead of the electrode body 910 manufactured from the bulky piece 910a of glassy carbon (FIG. 5) as a model sample used for observation of potential distribution. The second embodiment differs from the first embodiment in the points. The other points are the same as those of the first embodiment, and therefore, the descriptions of the same matters as the first embodiment will be omitted here.
B1.電極体の作製とモデル試料の形成:
図12は、第2実施形態において使用される電極体980(図12(d))を作製する工程を示す工程図である。電極体980の作製工程では、まず、活性炭粉末の粒子(活性炭粒子)984を固定するための支持体982を準備する。支持体982は、棒状の金属片である。なお、図12(a)では、支持体982を先端まで外径が同一であるものとして描いているが、支持体982は、試料ホルダ700に取り付け可能であれば、形状はこれに限定されない。
B1. Preparation of electrode body and formation of model sample:
FIG. 12 is a process chart showing a process of manufacturing an electrode assembly 980 (FIG. 12 (d)) used in the second embodiment. In the preparation process of the electrode body 980, first, a support 982 for fixing particles (activated carbon particles) 984 of activated carbon powder is prepared. The support 982 is a rod-shaped metal piece. In FIG. 12A, the support 982 is drawn as having the same outer diameter up to the tip, but the shape of the support 982 is not limited to this as long as it can be attached to the sample holder 700.
次いで、準備された支持体982に活性炭粒子984を固定する(図12(b))。具体的には、活性炭粉末に導電性ペーストを加えた後、活性炭粉末と導電性ペーストとの混合物を支持体982の先端部に塗布する。これにより、活性炭粒子984は、支持体982の表面に固定される。なお、図12(b)では、図示の便宜上、支持体982に直接固定された活性炭粒子984のみを描いているが、一般的には、多数の活性炭粒子984が互いに固定された状態で支持体982に固定される。活性炭粒子984を支持体982に固定した後、支持体982のうち活性炭粉末と導電性ペーストとの混合物が塗布されていない部分を、試料ホルダ700(図4)の固定板724と絶縁板722との間に挟み込む。これにより、支持体982および支持体982に固定された活性炭粒子984は、試料ホルダ700に固定される。 Next, activated carbon particles 984 are fixed to the prepared support 982 (FIG. 12 (b)). Specifically, after a conductive paste is added to the activated carbon powder, a mixture of the activated carbon powder and the conductive paste is applied to the tip of the support 982. The activated carbon particles 984 are thereby fixed to the surface of the support 982. In FIG. 12B, only the activated carbon particles 984 directly fixed to the support 982 are drawn for convenience of illustration, but in general, the support is in a state where a large number of activated carbon particles 984 are fixed to each other. It is fixed to 982. After the activated carbon particles 984 are fixed to the support 982, the portion of the support 982 to which the mixture of the activated carbon powder and the conductive paste is not applied is a fixing plate 724 and an insulating plate 722 of the sample holder 700 (FIG. 4). In between. Thereby, activated carbon particles 984 fixed to the support 982 and the support 982 are fixed to the sample holder 700.
支持体982を試料ホルダ700に固定した後、支持体982の先端部に固定された活性炭粒子984を薄片化する(図12(c)および図12(d))。具体的には、支持体982の先端部に固定された活性炭粒子984にガリウム等のFIBを照射し、1つの平坦面を有する活性炭粒子984cを形成する図12(c)。次いで、平坦面が設けられた活性炭粒子984cに、さらにFIBを照射することにより、薄片部986を有する活性炭粒子984dを形成する(図12(d))。これにより、先端部が薄片化された電極体980が得られる。なお、上述のように、図12(b)ないし図12(d)では、図示の便宜上、支持体982に直接固定された活性炭粒子984のみを描いている。そのため、図12(c)および図12(d)では、1つの活性炭粒子984を薄片化するように描いているが、一般には、支持体982の先端部に固定された複数の活性炭粒子984が薄片化される。 After the support 982 is fixed to the sample holder 700, the activated carbon particles 984 fixed to the tip of the support 982 are exfoliated (FIGS. 12 (c) and 12 (d)). Specifically, activated carbon particles 984 fixed to the front end of the support 982 are irradiated with FIB such as gallium to form activated carbon particles 984 c having one flat surface (FIG. 12C). Next, the activated carbon particles 984 c provided with the flat surface are further irradiated with FIB to form activated carbon particles 984 d having a flaky portion 986 (FIG. 12 (d)). As a result, an electrode body 980 whose tip is sliced is obtained. As described above, in FIGS. 12 (b) to 12 (d), only the activated carbon particles 984 directly fixed to the support 982 are drawn for convenience of illustration. Therefore, in FIG. 12C and FIG. 12D, although one activated carbon particle 984 is depicted as being exfoliated, generally, a plurality of activated carbon particles 984 fixed to the tip of the support 982 It is sliced.
得られた電極体980を用いてモデル試料を形成するため、まず、電極体980の活性炭粒子984が固定された部分(活性炭固定部)に、十分な量のイオン液体を浸透させる。これにより、活性炭粒子984が有する細孔(図示しない)に、イオン液体が保持される。活性炭固定部にイオン液体を浸透させた後、図3の例と同様に、活性炭固定部の薄片部986から離れた位置に、活性炭電極924を介して電極板922に取り付けられたセパレータ930を接触させる。具体的には、図4の例と同様に、電極板922の先端が活性炭固定部に位置するように調整し、固定板734と絶縁板732との間に電極板922を挟み込む。これにより、電極板922に取り付けられたセパレータ930が、活性炭固定部に浸透させたイオン液体と接触し、モデル試料が形成される。 In order to form a model sample using the obtained electrode assembly 980, a sufficient amount of ionic liquid is first permeated into the portion (activated carbon fixation portion) to which the activated carbon particles 984 of the electrode assembly 980 are fixed. Thereby, an ionic liquid is hold | maintained at the pore (not shown) which the activated carbon particle 984 has. After permeating the ionic liquid into the activated carbon-fixed portion, the separator 930 attached to the electrode plate 922 via the activated carbon electrode 924 is brought into contact with the position separated from the flake portion 986 of the activated carbon-fixed portion as in the example of FIG. Let Specifically, similarly to the example of FIG. 4, the tip of the electrode plate 922 is adjusted to be positioned at the activated carbon fixing portion, and the electrode plate 922 is sandwiched between the fixing plate 734 and the insulating plate 732. As a result, the separator 930 attached to the electrode plate 922 comes in contact with the ionic liquid that has permeated the activated carbon fixing portion, and a model sample is formed.
B2.第2実施例:
[試料電極の作製]
試料電極を作製するため、まず、支持体982(図12)に相当するタングステンチップを準備した。次いで、準備したタングステンチップの先端部に、活性炭粉末と導電性ペーストの混合物を塗布した。その後、上述のように、ガリウムのFIBを用いて、タングステンチップの先端部に固定された活性炭粒子の薄片化を行い、薄片部を有する試料電極を得た。
B2. Second embodiment:
[Preparation of sample electrode]
In order to produce a sample electrode, first, a tungsten tip corresponding to a support 982 (FIG. 12) was prepared. Next, a mixture of activated carbon powder and conductive paste was applied to the tip of the prepared tungsten tip. Thereafter, as described above, the activated carbon particles fixed to the tip of the tungsten tip were exfoliated using FIB of gallium to obtain a sample electrode having the exfoliated part.
図13は、FIB加工により薄片部を形成した試料電極(図12(d)の電極体980に相当する)の先端部を観察したTEM像である。図13(a)は、試料電極の先端部を低倍率で観察したTEM像である。図13(a)に示すように、試料電極を構成する多数の活性炭粒子と、活性炭粒子間に形成される空隙とが観察された。図13(b)は、試料電極先端部の中倍率TEM像である。図13(b)のTEM像では、活性炭粒子が有する多数の細孔が確認できた。また、図13(b)に示すように、電子線バイプリズム130(図1)により干渉縞が形成される領域の幅は、試料面では約300nm程度となる。そのため、ホログラムの観察が可能な領域は、薄片部の先端から約300nmの狭い範囲となる。なお、ホログラムは、試料電極の位置で干渉縞が形成されるように、電子線バイプリズム130を試料電極方向に移動させることにより行うことができる。 FIG. 13 is a TEM image obtained by observing the tip of a sample electrode (corresponding to the electrode assembly 980 in FIG. 12D) in which a thin portion is formed by FIB processing. FIG. 13 (a) is a TEM image of the tip of the sample electrode observed at low magnification. As shown in FIG. 13 (a), a large number of activated carbon particles constituting the sample electrode and voids formed between the activated carbon particles were observed. FIG. 13 (b) is a medium magnification TEM image of the tip of the sample electrode. In the TEM image of FIG. 13 (b), a large number of pores possessed by the activated carbon particles could be confirmed. Further, as shown in FIG. 13B, the width of the region where the interference fringes are formed by the electron beam biprism 130 (FIG. 1) is about 300 nm on the sample surface. Therefore, the area where the hologram can be observed is a narrow range of about 300 nm from the tip of the thin section. The hologram can be performed by moving the electron biprism 130 in the direction of the sample electrode so that interference fringes are formed at the position of the sample electrode.
図14は、薄片部の端付近のTEM像およびホログラムである。図14(a)は、薄片部の端付近にある活性炭粒子の高倍率TEM像である。図14(a)に示すように、活性炭粒子には、様々な大きさの細孔が形成されていることが確認できた。図14(b)は、活性炭粒子のホログラムである。図14(b)に示すように、細孔が形成されている部分(細孔部)においては、ホログラムの干渉縞が若干歪んでいた。このように細孔部で干渉縞が歪むのは、電子線の位相を変化させるカーボンの厚さが細孔の周囲のマトリックスの部分(マトリックス部)に比べて薄いためと考えられる。なお、このように、細孔部はくぼんだ状態となっている、すなわち、細孔部の表面は、マトリックス部の表面よりも電子線進行方向側に位置しているので、活性炭の細孔は、電子線進行方向の孔と謂うことができる。 FIG. 14 is a TEM image and a hologram near the end of the thin section. FIG. 14 (a) is a high-magnification TEM image of activated carbon particles near the end of the thin section. As shown in FIG. 14 (a), it was confirmed that pores of various sizes were formed in the activated carbon particles. FIG. 14 (b) is a hologram of activated carbon particles. As shown in FIG. 14 (b), the interference fringes of the hologram were slightly distorted in the portion (pore portion) where the pore is formed. The distortion of the interference fringes in the pore portion is considered to be because the thickness of carbon for changing the phase of the electron beam is thinner than the portion (matrix portion) of the matrix around the pore. As described above, since the pore portion is in a depressed state, that is, the surface of the pore portion is located on the electron beam traveling direction side with respect to the surface of the matrix portion, the pores of the activated carbon are , It can be called a hole in the electron beam traveling direction.
[電位分布の評価]
細孔内に形成される電気二重層による電位分布の評価を行った。具体的には、薄片部を形成した試料電極の活性炭固定部に、第1実施例と同じイオン液体を浸透させた。そして、イオン液体を浸透させた活性炭固定部に、活性炭電極924(図3)を介して電極板922に取り付けられたセパレータ930を接触させ、モデル試料を形成した。モデル試料の形成の後、印加電圧を変えながら薄片部先端のホログラムを撮影し、撮影したホログラムをコンピュータにより解析処理して、再生位相像および差分位相像を生成した。
[Evaluation of potential distribution]
The potential distribution was evaluated by the electric double layer formed in the pores. Specifically, the same ionic liquid as in the first embodiment was allowed to permeate the activated carbon fixing portion of the sample electrode in which the thin portion was formed. Then, a separator 930 attached to the electrode plate 922 was brought into contact with the activated carbon fixing portion to which the ionic liquid was made to penetrate, through the activated carbon electrode 924 (FIG. 3), to form a model sample. After formation of the model sample, the hologram at the tip of the thin section was photographed while changing the applied voltage, and the photographed hologram was analyzed by a computer to generate a reproduced phase image and a differential phase image.
図15は、活性炭粒子のホログラムから生成された再生位相像および差分位相像である。図15(a)および図15(b)は、それぞれ、印加電圧を1.5Vおよび2.5Vとしたときの再生位相像であり、図15(c)および図15(d)は、それぞれ、印加電圧を1.5Vおよび2.5Vとしたときの差分位相像である。図15(a)ないし図15(d)に示すように、再生位相像および差分位相像には、縦縞のノイズが現れた。この縦縞のノイズは、位相シフト法により再生位相像を生成することにより生じるアーティファクトであり、除去することは容易ではない。そこで、図15(c)および図15(d)において黒枠で示す、縦縞に沿ったプロファイル評価領域A−Bについて、位相変化量プロファイルを求めた。 FIG. 15 shows a reproduced phase image and a differential phase image generated from a hologram of activated carbon particles. FIGS. 15 (a) and 15 (b) are reproduction phase images when the applied voltage is 1.5 V and 2.5 V, respectively, and FIGS. 15 (c) and 15 (d) are respectively. It is a differential phase image when the applied voltage is 1.5V and 2.5V. As shown in FIGS. 15 (a) to 15 (d), vertical stripe noise appeared in the reproduced phase image and the differential phase image. The noise in the vertical stripes is an artifact caused by generating a reproduced phase image by the phase shift method, and it is not easy to remove. Therefore, phase change amount profiles were obtained for profile evaluation areas A-B along the vertical stripes, which are indicated by black frames in FIGS. 15 (c) and 15 (d).
図16は、図15の差分位相像から求められた位相変化量プロファイルを示すグラフである。図16(a)および図16(b)において、実線は、それぞれ、印加電圧を1.5Vおよび2.5Vとしたときの、位相変化量プロファイルを示している。図16(a)および図16(b)において、横軸は、プロファイル評価領域の端(評価領域端)Aからの距離(単位は、nm)を表し、縦軸は、位相変化量(単位は、rad)を表している。図16(a)および図16(b)の黒丸は、第1実施例において求めた位相変化量プロファイルを、重ね合わせたものである。なお、第1実施例と第2実施例の位相変化量プロファイルを重ね合わせる際に、第1実施例における貫通孔縁の位置とその位置での位相変化量が、第2実施例における細孔の縁の位置とその位置での位相変化量に一致するように、第1実施例の位相変化量プロファイルをずらしている。 FIG. 16 is a graph showing a phase change amount profile obtained from the differential phase image of FIG. In FIG. 16A and FIG. 16B, the solid lines indicate phase change amount profiles when the applied voltage is 1.5 V and 2.5 V, respectively. 16 (a) and 16 (b), the horizontal axis represents the distance (in nm) from the end (end of the evaluation area) of the profile evaluation area, and the vertical axis represents the amount of phase change (in units). , Rad). Black circles in FIGS. 16A and 16B are obtained by superposing the phase change amount profiles obtained in the first embodiment. When the phase change amount profiles of the first embodiment and the second embodiment are superimposed, the position of the through hole edge in the first embodiment and the phase change amount at that position are the same as those of the pores in the second embodiment. The phase change amount profile of the first embodiment is shifted so as to correspond to the position of the edge and the phase change amount at that position.
図16(a)および図16(b)から分かるように、印加電圧の高低にかかわらず、活性炭の細孔の内側における位相変化量プロファイルの形態は同様であった。また、印加電圧が1.5Vおよび2.5Vのいずれの場合においても、孔の内部における第1実施例と第2実施例の位相変化量プロファイルは、よく一致することが分かった。このことから、活性炭の細孔内に形成される電気二重層による電位分布の評価が可能であることが分かった。また、第1実施例のように、グラッシーカーボンからなり、貫通孔が形成された薄片部を有する試料電極を用いてモデル試料を形成することにより、実際の電気二重層キャパシタ(図2のEDLC300)における電位分布を十分に高い精度で予測することが可能であることが分かった。 As can be seen from FIGS. 16 (a) and 16 (b), the shape of the phase variation profile inside the pores of the activated carbon was similar regardless of the level of the applied voltage. Also, it was found that the phase variation profiles of the first embodiment and the second embodiment in the inside of the hole closely match each other when the applied voltage is 1.5 V or 2.5 V. From this, it was found that it is possible to evaluate the potential distribution by the electric double layer formed in the pores of the activated carbon. Also, as in the first embodiment, an actual electric double layer capacitor (EDLC 300 in FIG. 2) is formed by forming a model sample using a sample electrode made of glassy carbon and having a thin plate portion in which through holes are formed. It has been found that it is possible to predict the potential distribution at a sufficiently high accuracy.
このように、第2実施形態および第2実施例によれば、活性炭固定部の一端に薄片部986を形成し、活性炭固定部に十分な量のイオン液体を浸透させている。このとき、イオン液体は、薄片部986の活性炭由来の細孔中に保持されるとともに、細孔からセパレータ930が接触する位置まで、少なくとも活性炭固定部中の空隙において連続した状態で、電極体980に付着している。そのため、セパレータ930を電極体980に接触させると、活性炭電極924がセパレータ930を介してイオン液体に接触する。これにより、第2実施形態および第2実施例のモデル試料は、電気二重層キャパシタとして機能する。 As described above, according to the second embodiment and the second example, the flake portion 986 is formed at one end of the activated carbon fixing portion, and the sufficient amount of ionic liquid is allowed to permeate the activated carbon fixing portion. At this time, the ionic liquid is held in the pores derived from the activated carbon of the flake portion 986, and the electrode body 980 is continuous at least in the gaps in the activated carbon fixing portion from the pores to the position where the separator 930 contacts. Adhered to Therefore, when the separator 930 is in contact with the electrode body 980, the activated carbon electrode 924 contacts the ionic liquid through the separator 930. Thus, the model samples of the second embodiment and the second example function as an electric double layer capacitor.
また、セパレータ930の接触位置は、活性炭固定部のうちの薄片部986から離れた位置、すなわち、薄片部986の活性炭由来の細孔から電子線進行方向と異なる方向に離れた位置となる。そのため、細孔の周縁部の観察をより容易に行うことができるとともに、セパレータ930を接触させることによる薄片部986の損傷を抑制することができる。さらに、細孔は、薄片部986の全体に遍在しているので、薄片部986の端の近傍にも存在する。そのため、細孔の周縁部を電子線ホログラフィにより観察することができる。そして、細孔周縁部のホログラムを撮影し、ホログラムを解析処理することにより、細孔周縁部の電位分布を観察することができる。 In addition, the contact position of the separator 930 is a position away from the thin plate portion 986 in the activated carbon fixing portion, that is, a position away from the activated carbon-derived pores of the thin portion 986 in a direction different from the electron beam traveling direction. Therefore, the peripheral portion of the pore can be more easily observed, and damage to the thin portion 986 due to the contact of the separator 930 can be suppressed. Furthermore, since the pores are ubiquitous throughout the flake portion 986, they also exist near the end of the flake portion 986. Therefore, the periphery of the pore can be observed by electron holography. Then, by taking a hologram of the pore periphery and analyzing the hologram, the potential distribution in the pore periphery can be observed.
また、第2実施形態および第2実施例によれば、電極体980を活性炭粉末を固定することにより形成しているので、電気二重層キャパシタにおいて一般的に使用される電極と構成が近い。そのため、第1実施形態および第1実施例よりも、より実際の電気二重層キャパシタに近い状況における電位分布を観察することができる。一方、第1実施形態および第1実施例は、貫通孔916の周縁部を観察することができるので、孔の内部、すなわち、イオン液体中における電位分布をより明瞭に観察することが可能となる。 Further, according to the second embodiment and the second example, since the electrode body 980 is formed by fixing activated carbon powder, the configuration is similar to an electrode generally used in an electric double layer capacitor. Therefore, it is possible to observe the potential distribution in a situation closer to an actual electric double layer capacitor than in the first embodiment and the first example. On the other hand, in the first embodiment and the first example, since the peripheral portion of the through hole 916 can be observed, the potential distribution in the inside of the hole, that is, in the ionic liquid can be observed more clearly. .
C.変形例:
本発明は上記各実施形態および実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Modification:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
上記各実施形態および実施例では、試料SPCを真空中に配置する電子線ホログラフィ顕微鏡100を用いて観察を行うため、真空中でほとんど蒸発しないイオン液体を電解液として使用している。但し、特許文献2のように、試料を特定のガス雰囲気下に保った状態で観察できる場合には、電解液として、電解質を溶媒に溶解した電解質溶液を使用することも可能である。
C1. Modification 1:
In each of the above embodiments and examples, in order to perform observation using the electron holography microscope 100 in which the sample SPC is placed in a vacuum, an ionic liquid that hardly evaporates in vacuum is used as the electrolyte. However, as in Patent Document 2, when the sample can be observed in a specific gas atmosphere, an electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved in a solvent can also be used as the electrolyte.
C2.変形例2:
上記各実施形態および実施例では、その場観察の対象を電気二重層キャパシタとしているが、本発明は、電解液を有する一次電池や二次電池等の種々の電気素子のその場観察に適用することができる。この場合、電極体は、グラッシーカーボンや活性炭粉末に換えて、観察対象において使用される電極材のバルク片や多孔性粉末を用いて形成される。なお、バルク片や多孔性粉末は、結晶構造に由来するノイズの発生を低減することができる点で、非晶質であるのが好ましい。
C2. Modification 2:
In each of the above embodiments and examples, although the target of in-situ observation is an electric double layer capacitor, the present invention is applied to in-situ observation of various electric elements such as primary batteries and secondary batteries having an electrolytic solution. be able to. In this case, the electrode body is formed by using a bulk piece or porous powder of an electrode material used in an observation target in place of glassy carbon or activated carbon powder. The bulk pieces and the porous powder are preferably amorphous in that generation of noise derived from the crystal structure can be reduced.
C3.変形例3:
上記各実施形態および各実施例では、電気二重層キャパシタの電解液中の電位分布の観察に本発明を適用しているが、本発明は、リチウム電池におけるデンドライトの発生等の構造の変化をその場観察する際にも適用することが可能である。なお、構造の変化をその場観察する場合においては、電子線ホログラフィを用いずに、試料SPC(図1)の像ISPを観察するものとしても良い。この場合、一般的な透過型電子顕微鏡によりその場観察を行うことができる。また、電子線ホログラフィを用いない場合には、電極体の中央部等、電極体の任意の位置に薄片部を形成することも可能であり、孔の形成位置も薄片部任意の位置に形成することも可能である。
C3. Modification 3:
Although the present invention is applied to the observation of the potential distribution in the electrolytic solution of the electric double layer capacitor in each of the above-described embodiments and examples, the present invention relates to structural changes such as generation of dendrite in a lithium battery. It is possible to apply also at the time of field observation. In the case of observing the structural change in situ, the image ISP of the sample SPC (FIG. 1) may be observed without using electron holography. In this case, in-situ observation can be performed by a general transmission electron microscope. When electron holography is not used, it is also possible to form a thin section at an arbitrary position of the electrode body, such as the central part of the electrode body, and to form holes at any positions of the thin section. It is also possible.
C4.変形例4:
上記各実施形態、実施例および変形例では、本発明を透過型電子顕微鏡によりその場観察を行うための試料の作製に適用しているが、本発明は、透過型電子顕微鏡の他、透過走査型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡等の種々の電子顕微鏡によりその場観察を行うための試料の作製に適用することができる。なお、走査型電子顕微鏡のように、電子線を透過させる必要がない場合には、薄片部の形成を省略することができる。
C4. Modification 4:
In each of the above embodiments, examples and modifications, the present invention is applied to preparation of a sample for performing in-situ observation with a transmission electron microscope, but the present invention is not limited to transmission electron microscopy, and transmission scanning It can apply to preparation of the sample for performing in-situ observation by various electron microscopes, such as a type electron microscope and a scanning electron microscope. In the case where it is not necessary to transmit an electron beam as in a scanning electron microscope, the formation of the thin section can be omitted.
10…電位分布観察装置
12,14…リード線
100…電子線ホログラフィ顕微鏡
110…電子線照射装置
112…電子源
114…集束レンズ
120…対物レンズ
130…電子線バイプリズム
132…フィラメント
134…接地電極
200…直流電源装置
310,320…電極
312,322…集電極
314,324…活性炭電極
330…セパレータ
340…電解液
360…活性炭粒子
700…試料ホルダ
710…外枠
722,732…絶縁板
724,734…固定板
726,736…穴
728,738…止めネジ
740…支持板
900…モデル試料
910…電極体
910a,910b,910c…バルク片
912…バルク部
914…薄片部
914b,914c…薄厚部
916,916c…貫通孔
922…電極板
924…活性炭電極
930…セパレータ
940…イオン液体
980…電極体
982…支持体
984,984c,984d…活性炭粒子
986…薄片部
AO…観察領域
AV…真空領域
IFF…干渉縞
ISP…像
PS…直流電源
SPC…試料
Ψo…物体波
Ψr…参照波
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Potential distribution observation apparatus 12, 14 ... Lead wire 100 ... Electron beam holography microscope 110 ... Electron beam irradiation apparatus 112 ... Electron source 114 ... Focusing lens 120 ... Objective lens 130 ... Electron beam biprism 132 ... Filament 134 ... Grounding electrode 200 ... DC power supply 310, 320 ... electrode 312, 322 ... collector electrode 314, 324 ... activated carbon electrode 330 ... separator 340 ... electrolyte solution 360 ... activated carbon particles 700 ... sample holder 710 ... outer frame 722 732 ... insulating plate 724, 734 ... Fixing plate 726, 736: Hole 728, 738: Fixing screw 740: Support plate 900: Model sample 910: Electrode body 910a, 910b, 910c: Bulk piece 912: Bulk portion 914: Thin portion 914b, 914c: Thin portion 916, 916c ... through hole 922 ... electrode plate 92 ... Activated carbon electrode 930 ... Separator 940 ... Ionic liquid 980 ... Electrode body 982 ... Support 984 984 c, 984 d ... Activated carbon particle 986 ... Thin section AO ... Observation area AV ... Vacuum area IFF ... Interference fringes ISP ... Image PS ... DC power supply SPC ... sample Ψ o ... object wave Ψ r ... reference wave
Claims (12)
前記電子線が透過可能な厚さの薄片部を有し、前記薄片部に前記電子線の進行方向の孔が形成された電極体を準備し、
電極部とセパレータとを有し、前記孔から前記電子線の進行方向とは異なる方向に離れた接触位置において、前記セパレータを前記電極体に接触させることが可能なように構成された対電極体を準備し、
前記孔に前記電解液が保持されるとともに、前記孔から前記接触位置まで前記電解液が連続するように前記電解液を前記電極体に付着させ、
前記セパレータを前記接触位置に接触させることにより、前記セパレータを介して前記電極部を前記電解液に接触させる、
試料の作製方法。 A method of preparing a sample for in-situ observation by electron beam irradiation in which an electric element having an electrolytic solution is observed in an operating state,
Preparing an electrode body having a thin section capable of transmitting the electron beam and having a hole in the traveling direction of the electron beam formed in the thin section ;
A counter electrode body comprising an electrode portion and a separator, wherein the separator can be brought into contact with the electrode body at a contact position separated from the hole in a direction different from the traveling direction of the electron beam Prepare
The electrolytic solution is adhered to the electrode body so that the electrolytic solution is held in the hole and the electrolytic solution is continuous from the hole to the contact position,
By bringing the separator into contact with the contact position, the electrode portion is brought into contact with the electrolytic solution via the separator.
How to make a sample.
前記孔は、前記電子線の進行方向に貫通する貫通孔である、
試料の作製方法。 A method for producing a sample according to claim 1, wherein
The hole is a through hole that penetrates in the traveling direction of the electron beam.
How to make a sample.
前記薄片部は、前記電極体の一端に形成されており、
前記孔は、前記薄片部の端の近傍に形成されている、
試料の作製方法。 The method for producing a sample according to claim 1 or 2 , wherein
The thin section is formed at one end of the electrode body,
The hole is formed in the vicinity of the end of the thin section.
How to make a sample.
複数の前記孔が、前記薄片部の端に対して斜めに配列されている、
試料の作製方法。 A method for producing a sample according to claim 3 , wherein
A plurality of the holes are arranged obliquely to the end of the thin section;
How to make a sample.
前記電極体を構成する材料からなるバルク片を準備し、
前記バルク片の端の近傍に前記電子線の進行方向の集束イオンビームを照射することにより、前記孔を形成し、
前記バルク片の前記孔が形成された端部に前記電子線の進行方向とは異なる方向の集束イオンビームを照射することにより、前記薄片部を形成する、
試料の作製方法。 A method of producing a sample according to claim 3 or 4 , wherein
Preparing a bulk piece made of a material constituting the electrode body,
The hole is formed by irradiating a focused ion beam in the traveling direction of the electron beam in the vicinity of the end of the bulk piece;
The thin section is formed by irradiating a focused ion beam in a direction different from the traveling direction of the electron beam at the end of the bulk piece where the hole is formed.
How to make a sample.
前記孔の形成に先だって、前記孔が形成される端部に前記電子線の進行方向とは異なる方向の集束イオンビームを照射することにより、前記孔の形成に適した厚さの薄厚部を形成する、
試料の作製方法。 A method for producing a sample according to claim 5 , wherein
Prior to the formation of the hole, a thin portion with a thickness suitable for the formation of the hole is formed by irradiating the end where the hole is formed with a focused ion beam in a direction different from the traveling direction of the electron beam. Do,
How to make a sample.
前記バルク片は、ガラス状構造を持つカーボンからなる、
試料の作製方法。 A method of producing a sample according to claim 5 or 6 , wherein
The bulk piece is made of carbon having a glassy structure,
How to make a sample.
前記電極体を構成する第1の材料からなり細孔を有する多孔性粉末を準備し、
前記多孔性粉末の粒子を、前記電極体を構成する第2の材料からなる支持体の一端に固定し、
前記支持体の端部に固定された前記多孔性粉末の粒子に前記電子線の進行方向とは異なる方向の集束イオンビームを照射することにより、前記孔が形成された前記薄片部を形成する、
試料の作製方法。 A method for producing a sample according to claim 3 , wherein
Preparing a porous powder having pores and made of a first material constituting the electrode body,
The particles of the porous powder are fixed to one end of a support made of a second material constituting the electrode body,
The thin particle portion in which the holes are formed is formed by irradiating the particles of the porous powder fixed to the end of the support with a focused ion beam in a direction different from the traveling direction of the electron beam.
How to make a sample.
前記多孔性粉末は、活性炭粉末である、
試料の作製方法。 A method for producing a sample according to claim 8 , wherein
The porous powder is activated carbon powder,
How to make a sample.
前記電解液は、イオン液体である、
試料の作製方法。 The method for producing a sample according to any one of claims 1 to 9 , wherein
The electrolyte is an ionic liquid,
How to make a sample.
請求項3ないし9のいずれか記載の作製方法によって作製された試料を準備し、
前記試料の前記電極体と前記対電極体との間に電圧を印加した状態における、前記孔の周縁部の第1の電子線ホログラムを取得し、
前記試料の前記電極体と前記対電極体との間に電圧を印加しない状態における、前記孔の周縁部の第2の電子線ホログラムを取得し、
前記第1と第2の電子線ホログラムから、位相シフト法により第1と第2の再生位相像をそれぞれ生成し、
前記第1の再生位相像から前記第2の再生位相像を引いた差分位相像を生成して、前記電極体と前記対電極体との間に電圧を印加した状態における、前記孔の周縁部における電位分布を観察する、
電位分布のその場観察方法。 An in-situ observation method of potential distribution in an operating state of an electric element having an electrolytic solution by electron holography,
A sample prepared by the preparation method according to any one of claims 3 to 9 is prepared,
Acquiring a first electron beam hologram of a peripheral portion of the hole in a state where a voltage is applied between the electrode body of the sample and the counter electrode body;
Acquiring a second electron beam hologram of the peripheral portion of the hole in a state where a voltage is not applied between the electrode body of the sample and the counter electrode body;
First and second reproduction phase images are generated from the first and second electron beam holograms by phase shift method,
A peripheral portion of the hole in a state where a differential phase image is generated by subtracting the second reproduction phase image from the first reproduction phase image, and a voltage is applied between the electrode body and the counter electrode body. Observe the potential distribution at
In-situ observation method of potential distribution.
前記電解液は、イオン液体である、
電位分布のその場観察方法。 The in-situ observation method of the electric potential distribution according to claim 11 .
The electrolyte is an ionic liquid,
In-situ observation method of potential distribution.
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