結晶中の原子列を元素別に可視化

先端電子顕微鏡を用い、原子列毎に元素分析することに成功

2007.10.29

独立行政法人物質・材料研究機構

NIMSナノ計測センターは、走査透過電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法を用いて、元素毎に結晶の原子列を可視化することに成功した。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 岸 輝雄) ナノ計測センター (センター長 : 藤田 大介) の木本 浩司 主席研究員らは、走査透過電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法を用いて、元素毎に結晶の原子列を可視化することに成功した。
  2. 物質材料を研究開発する上で、ナノメーター領域の構造解析の重要性は近年高まっている。最先端の透過電子顕微鏡により結晶構造を直接観察することは可能であるが、従来技術では原子コラム毎に元素分析して識別することは困難であった。
  3. 当機構は、透過電子顕微鏡法の研究を長年行ってきており、超高圧電子顕微鏡を用いた結晶構造の直接観察や、超高性能電子顕微鏡手法の開発を先導してきた。今回の研究成果はそれらを基礎とし、走査透過電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法により、元素コラム毎の分析を初めて可能にしたものである。
    原子列毎に元素分析するためには、原子間距離以下まで収束した電子を試料に照射すると共に、電子の入射位置が一つの原子の上からずれない極めて高い安定性が必要である。当機構では、走査透過電子顕微鏡の安定度を向上させ外乱を防止するなどして、1分間に原子1個分程度のずれしか生じないようにした。さらに、入射電子が試料中の原子列に沿って伝搬する条件で観察するとともに、できるだけ内殻の電子と散乱した透過電子を捕らえるようにした。その結果、セラミックス (La,Sr)2Mn3O7中の酸素原子や、ランタンやマンガンなどの金属原子を原子コラム毎に可視化することに成功した。
  4. 結晶構造を元素毎に可視化できるので、材料物性や実用材料の性能に直接結びつく知見、特に異種材料の界面や局所的な材料の欠陥の解析に有効である。なお、本研究成果の一部は、文部科学省ナノテクノロジー総合支援プロジェクト (2002年度~2006年度) およびナノテクノロジー・ネットワーク (2007年度~) の一環として行われ、観察試料は十倉好紀教授 (東京大学) より提供いただいた。
  5. 本研究成果は、英国科学誌Natureに掲載予定であり、10月28日 18 : 00 (ロンドン現地時間、日本時間翌29日3:00) にAdvance Online PublicationとしてNatureのサイトにて公開される予定である。
「プレス資料中の図2: 電子顕微鏡像と元素マッピング像走査透過電子顕微鏡を用いた画像 (環状暗視野像) では原子の位置が明るく観察されるが、元素の種類までは識別できない。本研究により、酸素や金属元素のマンガン、ランタンなどの原子列をそれぞれ直接識別できる。」の画像

プレス資料中の図2: 電子顕微鏡像と元素マッピング像
走査透過電子顕微鏡を用いた画像 (環状暗視野像) では原子の位置が明るく観察されるが、元素の種類までは識別できない。本研究により、酸素や金属元素のマンガン、ランタンなどの原子列をそれぞれ直接識別できる。