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て、原子列毎に元素分析することに成功しました　-

先端電子顕微鏡グループ　木本浩司

平成１９年１０月２９日　

先端電子顕微鏡グループでは、走査透過電子顕微鏡^１）と電子エネルギー損失分光法^２）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ました。この研究成果は英国科学雑誌 Nature (Vol.450, P702-704) に掲載されました。

１．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ますます高まっています。最先端の透過電子顕微鏡（TEM）を用いて結晶構造を直接観察することは可能でしたが、これまでの技術では原子コラム（列）毎に元素分析して識別することは困難でありました。

２．NIMS先端電子顕微鏡グループでは、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ました。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（STEM）と電子エネルギー損失分光法（EELS）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ります。

　　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ります。当グループでは、走査透過電子顕微鏡（図１）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ました。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^３）と散乱した透過電子を捕らえるようにしました。その結果、セラミックス（La,Sr)₂Mn₃O₇中（図２）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世界で初めて成功しました（図３）。

３．今回開発した手法は、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ります。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）より御提供いただきました。