研究内容

MARS (Magnetic field free Atomic Resolution STEM) は、世界で初めて無磁場環境中での原子直接観察を可能にした次世代の原子分解能電子顕微鏡です。これまでの原子分解能電子顕微鏡では、電子線のレンズとして磁場を用いているため(磁界レンズ)、試料をレンズ磁場中に導入する必要がありました。このレンズ磁場は非常に強力であり(2〜3T程度)、試料そのものの磁気・磁区構造や物理構造を破壊してしまうため、磁性材料の原子分解能観察は長年不可能とされてきました。MARSでは、この問題を克服することを目的として、新型の対物レンズを開発しました。更にこの対物レンズに最新のDELTA correctorを組み合わせることで、2019年に世界で初めて無磁場環境でのサブÅ空間分解能を達成しました。このMARSは、電子顕微鏡の長年の問題を克服し、これまで原子分解能電子顕微鏡観察が不可能であった磁性材料・デバイスに全く新しい解析手法を提供します。

SAAF 40(Segmented Annular All Field Detector 40)はこれまでのSAAFテクノロジーをベースとして、分割数を40とした世界最大分割数を誇るセグメント検出器です。SAAF開発は2006年からスタートし、シンチレータ+PMT形式を採用し、既に、16分割、8分割(商用機 JEOL製SAAF OCTA)の開発実績があります。近年、CMOSやCCD技術を利用したピクセル検出器が盛んに開発されていますが、SAAFは検出スピード、リアルタイム観察、ダイナミックレンジにおいて、ピクセル検出器を大きく凌駕する性能を有しています。40分割にすることにより、既存のSAAF検出器と比較して、定量性、検出効率、像制御柔軟性を大きく向上しました。本検出器を用いて、これまでは不可能であった原子レベルの様々な現象観察、情報抽出に挑戦しています。

リチウムイオン電池材料やゼオライト・金属有機錯体などの電子線敏感材料は,電子線照射ダメージが深刻なことから, 電子顕微鏡による原子構造直接観察は極めて困難であると考えられてきました.本グループでは,SAAF検出器を利用して多数のSTEM信号を同時に取り込み, 理論的にもっとも信号ノイズ比が高くなるように画像処理することで, 超高感度STEMイメージングを可能にしました。本開発手法を用いて電子線敏感材料の原子構造を直接観察することで, その材料特性発現メカニズムの解明に取り組んでいます.

磁気メモリとしての応用が期待される磁気スキルミオンの直接観察とその制御手法の開発を行っています。最近、材料表面に微小な欠陥構造を形成することで磁気スキルミオン1個 を安定に閉じ込めることに成功しました。

DPC STEM (Differential Phase Contrast Scanning Transmission Electron Microscopy) 法は、物質内部の電磁場分布を実空間観察できる手法として近年大きな注目を集めています。本グループでは、2012年にDPC STEM法を原子分解能化することより、原子内部の電場観察に世界で初めて成功しました。更に2017年には単一原子内部の電場観察にも成功しています。また、電場情報を電荷密度情報に変換することにより、電子雲の直接観察にも2018年に成功しています。本グループでは、DPC STEMを用いて様々な材料・デバイス研究に応用展開しており、STEM法の新たな可能性を切り拓いています。

高速化、省エネ化が求められる現代の半導体デバイスにおいては、デバイス内部の局所的な電場分布の制御が性能向上において極めて重要です。しかしそのような局所電場分布を高分解能かつ定量的に観察することは極めて困難でした。そこで本グループではDPC STEMを用いて局所電場の定量化手法の開発を行っています。開発手法を用いて半導体p-n接合の電場分布観察や、ヘテロ界面を含む窒化物半導体の電場定量観察に成功しており、電子デバイスの研究開発に大きく貢献しています。

高性能な磁石材料の開発には、ナノスケールの微細組織制御が不可欠です。従って、微細組織が磁石特性にどのように影響を及ぼすのかを根本的に理解することが極めて重要です。DPC STEM法は、微細組織観察と電磁場観察を同時に行うことができるため、微細組織と磁性との相関性を理解する上で有力な手法になると期待されています。しかしながら、DPC像には結晶の回折に由来する回折コントラストが重畳するため、電磁場コントラストが不明瞭になるという問題がありました(図左)。そこで本グループでは回折コントラストを大幅に低減するDPC法を開発しました(図右)。この手法を用いて、微細組織と磁性との相関性を根本的に解明し、磁石特性を最大化する微細組織制御指針の構築に挑戦しています。

 
 
 
 

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