本新技術の背景、内容、効果の詳細は次の通りです。
物質の界面付近は内部とは異なる構造や電子状態となるため特異な物性を示すことが知られています。半導体分野を始めとしたナノテク関連分野においては、微小な材料や領域を取り扱うため相対的にこのような特異性のある領域の割合が高まるため、物性の検討、改善にはナノメートルレベルの微小な領域において、その構造や組成、結合に関与する電子の状態等を分析できる手法が望まれています。 透過型電子顕微鏡（TEM）は、高電圧で加速した細い電子ビームを固体試料に照射し、透過した電子を結像することで試料中の構造をナノメートルオーダーで観察できる装置です。（図１）電子が透過する際に物質から受けるエネルギー変化を計測（電子エネルギー損失分光法、EELS）できれば、物質の構造、組成、結合に関連した電子状態など幅広い情報を得ることが可能です。このために求められる透過電子線のエネルギー分解能は0.2～0.3eV程度ですが、従来の照射電子線はすでに1～2eVのエネルギー幅を持っていることに加えて、計測中にエネルギー変動の少ない状態を維持することが困難でした。このため、電子状態計測に必要な極めてエネルギー幅の狭い電子線が得られる分析電子顕微鏡が待望されていました。
本開発では、電子を新規なエネルギーフィルタに通してエネルギーの単一化を図ることで、透過電子線のエネルギー計測分解能を飛躍的に向上させました。エネルギーフィルタには、電場と磁場を直交させることで特定のエネルギーを持つ電子のみがまっすぐ通過することができる「ウィーンフィルタ」を用いています。従来のウイーンフィルターは電子ビームを微小部分に収束させることが困難でしたが、本開発ではウィーンフィルタを2段とすることで円形のビームがえられ（図２）、微小領域に電子線を収束させることが可能となりました。 さらに、フィルタを構成する部材の最適化や駆動電源の変動を低減することで電子エネルギーの変動を極力押さえることに成功し、電子状態の相違によるエネルギー変化に相当する0.2eV以下のエネルギー幅を持つ電子ビームを得ることが可能となりました（図３）。
本新技術により、微小領域の結晶構造と電子状態を高分解能で測定することが可能となるため、元素分布だけでなく電子状態のマッピングが可能となります。このことから、今後は半導体多層膜界面や金属、絶縁体、各種機能性材料における微小領域の構造解析、電子状態解析等に利用されるものと期待されます。 | ||||||
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