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X線ナノプローブスキャナーの開発 ~試料は動かさずに,X線を精密にスキャンするナノ顕微法~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研),大阪大学(阪大),名古屋大学(名大)は2021年8月11日,理研 放射光科学研究センターXFEL研究開発部門ビームライン研究開発グループビームライン開発チームの山田 純平基礎科学特別研究員(阪大 大学院工学研究科招へい研究員),同 ビームライン研究開発グループの矢橋 牧名グループディレクター,名大 大学院工学研究科の松山 智至准教授,阪大 大学院工学研究科の山内 和人教授らの共同研究グループが,大型放射光施設SPring-8において,「走査型X線顕微鏡」用の新しい高精度スキャン技術「X線ナノプローブスキャナー」を開発した,と発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業研究活動スタート支援「XFELナノメートル集光のための高精度X線波面計測技術の開発」等の助成を受け,成果は科学雑誌IUCrJで公開された(注).

 X線は,物質と相互作用の強い電子線に比べ,試料をよく透過するので,X線顕微鏡は立体像の観察に向いている.その主要形態である走査型X線顕微鏡では,X線プローブと観察対象(試料)の相対的な位置関係を走査して得られた透過X線のパターンから立体像を構成する.しかし,X線は電子線や光のように偏向・走査させることが難しく,これまでに開発された装置の多くは試料を走査するものだった.解像度はビームサイズに依存し,X線微小集光技術の進歩は,1~10nmのX線プローブの利用を可能としたが,試料の走査ではこれに応える走査精度の実現は難しい.そこで研究グループはX線プローブの偏向・走査に挑戦し,X線プリズムと反射型X線レンズを組み合わせてX線ナノプローブスキャナーを開発した.

 入射X線は,2組のX線プリズムの回転によって偏向させ,反射型X線レンズでビームを絞る.プリズムの回転によるビームの偏向は小さい(~10-5radian)ので,回転角は1°程度(~10-2radian)の精度で制御する.X線レンズは楕円鏡と放物線鏡のペアで構成し,楕円鏡に伴うコマ収差を補正して,焦点の大きさによらずナノプローブの焦点面への集光を可能にした.反射型X線レンズの全面から集光されるため他の方式よりプローブ光の強度を高められた.ビームサイズ50nmのX線ナノプローブが得られ,このX線ナノプローブスキャナーを使って,SPring-8のBL29XUビームラインの10keVのX線を用い,試料を動かさずにX線走査し,50nm線幅を解像する走査型X線顕微鏡像の取得に成功した.また,従来の10~20倍の精度に当たる,0.1~2nmのスキャン精度が十分に実現可能であることも分かった.

 今回のX線ナノプローブスキャナーの開発はプリズムとレンズの組み合わせによって得られた,ミラーの精度向上といった一つの素子の技術開発に加え,X線光学素子の組み合わせといった新たなX線光学技術の開拓が望まれるという.今後,X線ナノプローブスキャナーがX線顕微鏡観察やX線分光分析の高度化に寄与することを期待している.

(注)Jumpei Yamada, Ichiro Inoue, Taito Osaka, Takato Inoue, Satoshi Matsuyama, Kazuto Yamauchi, and Makina Yabashi, "Hard X-ray nanoprobe scanner", IUCrJ, Vol. 8, Part 5, September 2021; DOI: 10.1107/S2052252521007004; Published online 31 July 2021