新開発の電子顕微鏡で原子の振動を波として捉えることに成功――ナノデバイス用の材料評価に新たな道 産総研ら

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産業技術総合研究所(産総研)は2019年8月13日、ウィーン大学、ローマ・ラ・サピエンツァ大学、日本電子と共同で、新開発の電子顕微鏡を用いて、従来よりも2桁以上向上した空間分解能で、物質の最も基本的な性質の一つである原子の振動(格子振動)を波として計測する手法を開発し、1原子の厚みしかないグラフェン1枚の格子振動を初めて計測できたと発表した。

近頃のナノデバイスの極小化に伴い、ナノ材料の性質を詳細に理解することがナノデバイスの性能向上の鍵となっている。中でも格子振動は、熱伝導、電気伝導、光学的特性といった材料の性質に深く関わっているため、ナノ材料のデバイス応用を考える上で詳細な理解が必要不可欠とされている。しかしながら従来の手法では、数µmから1mm程度の厚みのあるバルクの試料から平均的な信号を得ることしかできず、測定できる試料にも限りがあった。そのため、格子振動を高精度/高感度で計測する手法が望まれていた。

産総研では、これまでもナノ材料の分析に特化した低加速電子顕微鏡の開発に取り組んでおり、今回研究チームは世界最高レベルのエネルギー分解能(20~30meV)を持つ低加速電子顕微鏡用モノクロメーターを開発した。これにより、格子振動に起因する微細な信号が検知できるようになった。さらに、世界最高レベルの空間分解能とエネルギー分解能を両立させる電子光学系を新たに設計。10nm以下の範囲から格子振動のエネルギーと運動量を計測できる装置も開発した。その結果、エネルギーと運動量を同時に計測することで、格子振動の波としての異なる性質(振動モード)を調べることができた。

今回開発した装置を用いることで、空間分解能が従来手法の1µmから大幅に向上し、約10nmの範囲から格子振動のエネルギーと運動量を計測でき、材料中の欠陥やエッジ周辺の局所的な格子振動を捉えることができる。これにより、これまで理論計算が先行していたさまざまなナノ材料の格子振動を直接計測できるため、材料科学の発展への大きな貢献が見込まれる。また、工学的には格子振動が直接性能に影響を与える熱電素子や光電子デバイス、超電導体などの研究開発への貢献が期待できるとしている。

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