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88年の常識を覆す画期的な電子顕微鏡を開発 ~磁石や鉄鋼などの磁性材料の原子が直接見える~

 国立研究開発法人科学技術振興機構(JST),東京大学及び日本電子株式会社(JEOL)は2019年5月24日,JST先端計測分析技術・機器開発プログラムにおいて,東京大学大学院工学系研究科附属総合研究機構 柴田 直哉機構長とJEOLの共同開発チームが,新構造のレンズを組み込んだ画期的な電子顕微鏡を開発し,これまで磁場のない条件では不可能だった原子の直接観察を世界で初めて実現し,さらに磁気特性を持つ機能性材料(磁性材料)の詳細な原子の観察に成功したことを発表した.本開発はオーストラリアのモナッシュ大学と共同で行われた.研究の一部は文部科学省事業に基づく東京大学微細構造解析プラットフォームで行われた.この成果は,英国科学誌Nature Communicationsのオンライン版で公開された(注).

 光学顕微鏡では,光学ガラスのレンズを使って物体の拡大像を得るが,電子顕微鏡では磁場中に入射された電子がローレンツ力によって曲がる現象を利用した対物レンズで像を拡大する.試料の近くで強い磁場を使った対物レンズの性能が,電子顕微鏡の性能,すなわち分解能を決定する.現在用いられている対物レンズでは,ポールピースと呼ぶ中央部に電子線を通過させる孔を空けた上下2枚の円盤状磁極間の電子線通路に2~3テスラもの強磁場を発生させることで,電子線に対する強力なレンズ機能を発揮させる.観察する試料はこの2枚の電極の間の強磁場の中に挿入する構造である.従って,試料が磁性を持つ材料やデバイス,即ち磁石,鉄鋼材料,磁気ヘッド,磁気メモリー,スピンデバイスなどでは,レンズの磁場と材料の持つ磁性とが強く相互作用してしまい,試料の構造の変化,破壊,また,観察時に光軸変化等の問題が発生する.このため従来の電子顕微鏡は,磁性材料などに適用できなかった.

 これに対して今回共同開発チームが開発した対物レンズは,上記説明の現在の対物レンズを上下に2つ向かい合わせた構造をしており,試料はこの上下レンズの間に挿入する.強力な磁場は上下のレンズ内に閉じ込められ,近傍に漏れた磁場は,両レンズの磁場を逆向きに発生させることによって,試料上で磁場同士がちょうど打ち消し合ってほぼゼロになるように調整する.その結果,強い磁場を試料まで近づけられるため,原子分解能観察が実現できる.試料が設置位置の磁場強度を0.2ミリテスラ以下(通常の対物レンズ内部の磁場の1万分の1以下に相当)に抑える磁場フリーな環境実現に成功した.さらに,開発した新しい対物レンズの上部の鏡筒に最新の収差補正装置(DELTA型コレクター)を導入し,加速電圧200kVの原子分解能磁場フリー電子顕微鏡(MARS:Magnetic-field-free Atomic Reso-lution STEM)を開発した.GaN結晶の0.92Å間隔のGa原子や,電磁鉄板(Fe-3%Si)の1.43Å間隔のFe原子を分解できている.

 1931年の最初の電子顕微鏡以来,88年以上続く電子顕微鏡開発において磁場フリー環境における原子分解能観察を初めて実現した.磁石,鉄鋼材料,磁気デバイス,磁気メモリー,磁性半導体,スピントロニクス,トポロジカル材料など,さまざまな材料やデバイスの研究開発を格段に向上させる契機となると期待される.

(注)Naoya Shibata, Yuji Kohno, Akiho Nakamura, Shigeyuki Morishita, Takehito Seki, Akihito Ku-mamoto, Hidetaka Sawada, Takao Matsumoto, Scott D. Findlay, and Yuichi Ikuhara, "Atomic resolution electron microscopy in a magnetic field free environment", Nature Communications, Vol. 10, Article number: 2308 (2019), doi: 10.1038/s41467-019-10281-2; Published: 24 May 2019