東北大など、3D原子像の可視化が可能な次世代電子顕微鏡技術を開発

東北大学(東北大)金属材料研究所の林好一准教授らの研究グループは、電子線を物質に照射することにより、3D原子像を可視化できる「逆X線光電子ホログラフィ」を提唱し、同技術を確立したことを明らかにした。

同成果は、林好一准教授と堀場製作所の上坂彰朗氏、新井重俊氏、高輝度光科学研究センターの松下智裕博士との共同で行われたもので、林准教授が研究の中心を担い、実験手法や装置開発など技術的な開発を堀場製作所が行った。また、解析やシミュレーションなどに関する理論面の開発は高輝度光科学研究センターの松下博士が行ったもので、米国物理学会誌「Physical Review Letters」に受理され、オンライン版で公開された。

物質の原子配列を求めることは、その物質の性質を理解する上で重要であり、特に、立体的に原子像を求めることができれば、さまざまな素材の開発や研究の進展につながることが期待されている。そうした中、近年、大型放射光実験施設を用いた原子分解能ホログラフィが、新しい構造解析技術として注目を集めており、原子分解能ホログラフィを用いることにより、これまで難しかった3D原子像から詳細な構造解析が可能になる。同原子分解能ホログラフィの原理を応用したものが研究グループが提唱した「逆X線光電子ホログラフィー」である。

逆X線光電子ホログラフィの特長として、表面観察用に広く用いられている走査型電子顕微鏡(SEM)を用い、簡単にホログラム測定を行えることがあげられる。また、実験室レベルで測定が可能で、容易に3D原子像が取得できるため、材料からバイオにわたる幅広い分野への応用が見込まれる。

今回の研究では、上述したように SEM中の電子銃を利用して試料に電子線を照射し、チタン酸ストロンチウムのチタンから発生する特性X線を測定した。SEMの試料ステージを利用して、電子線の照射角度と方位を変えながら、連続的に特性X線を測定することでホログラムが記録される。

得られたホログラムには、放射光を用いる従来のホログラムで見られる特徴(菊池線)や前方散乱ピークが観察されており、今回の手法からでも十分にホログラム測定が可能なことが示された。

また、解析用の最新のアルゴリズムであるSPEA-MEMを用いて、観測されたホログラムから、チタン酸ストロンチウムの結晶構造を鮮明に再生させることにも成功した。

特に、酸素原子の像は、揺らぎを反映した像の広がりが確認でき、この手法が原子構造解析に関して、高精度の情報が提供できることを示唆しているという。

これらの現象では、試料に電子線を照射し、試料中のターゲット原子から発生する特性X線を測定する。

試料に電子線を照射すると、試料に含まれる原子と散乱を起こす。また、ターゲット原子周辺の散乱原子と散乱した電子線は、ターゲット原子に直接到達する電子線と干渉を起こす。そして、試料中の原子配列に依存して散乱パターンにも変化が生じるため、電子線の照射角度と方位を変えることで、試料中での電子線の干渉強度に変調が生じるため、ターゲット原子から発生する特性X線にも強度変調が生じ、結果的に、ターゲット原子周囲の原子配列情報を有したホログラムが測定されることとなる。

こうした原理に基づく逆X線光電子ホログラフィを用いれば、実験室レベルで3D原子像が容易に観察可能となる。そのため、今後、その構造情報を必要とする材料、物性、化学、鉱物、生物などの幅広い分野に広く普及していくことになるだろうと研究グループでは説明している。特に材料分野においては、3月11日の東日本大震災に端を発する原発事故やレアメタルの問題を受け、太陽電池の開発や代替希少元素の探索など、持続可能社会の実現に向けた探求が進められることとなることが予測されるが、今回の手法を用いることで、特定の元素周辺の原子配列を照らし出すことのできるようになることから、こうした課題の解決に向けた大きく役割を果たすことが期待できるという。