第 3 部物質・材料研究における今後の研究動向第 1 章物質・材料研究開発のためのナノテクノロジー 1．ナノテクノロジー計測・分析技術（2）三次元電子顕微鏡法竹口雅樹ナノ計測センター、物質・材料研究機構古屋一夫超高圧電子顕微鏡ステーション、物質・材料研究機構るだけ近い角度の回転可能な試料ホルダーと CT 像 1 ．はじめに構築ソフトウエアが必要である（図 1 参照）。現在透過型電子顕微鏡（TEM）は、試料を透過したは日本電子（株）、日立ハイラクノロジーズ、FEI 電子を用いて結像するため、基本的には投影像であといった TEM メーカーにおいて CT 用試料ホルる。従って形状や構造、組成などを二次元的には原ダーを供給しており（次項参照）、市販型の汎用子レベルの分解能で解析可能であるが、三次元的な TEM で CT 観察を行える。また、ソフトウエアに情報は得ることが困難である。しかしながら無機材関してもコロラド大学で開発された IMOD が広く料や生体材料の研究、細胞研究、デバイス研究など利用されているが、それ以外にも様々な再構築ソフの分野においてその研究対象がナノメートルサイズトウエアが入手可能な状況である。最近では、になるにつれて、TEM の分解能レベルで三次元的 TEM メーカーは試料ホルダーと再構築ソフトウエな解析や立体形状観察が望まれるようになってきてアを統合した TEM-CT システムを開発し、自動でいる。医学分野などで X 線 CT（コンピュータトモ CT 像取得も可能になってきている。グラフィー）技術が開発され、現在では日常的な診断技術として X 線写真診断から X 線 CT 診断に移第１章物質・材料研究開発のためのナノテクノロジー 2.2 超高圧電子顕微鏡 CT 法（HVEM-CT）行しているが、その技術が電子線 CT として TEM TEM で CT 観察を行う場合、試料を対物レンズ分野にも適用されるようになり、ナノメートルレベのポールピース内で回転させなければならないたルでの三次元観察・解析が行われるようになりつつめ、回転角が制限され、試料サイズや形状も特殊である。また、新しい三次元観察技術も開発されつつある必要がある場合が多い。回転角度が制限されるある。本章では、最近の三次元 TEM 観察技術としとある方向からの情報が欠落してしまう。また、立て、電子線 CT 技術の現状と CT 技術を用いない三体観察のためには試料にある程度の厚みが求められ次元観察手法研究の動向についてまとめた。るが、汎用 TEM の加速電圧は 100 ∼ 300 kV であるので、電子線の試料透過能のために立体形状試料 2 ．研究開発の動向の観察が困難である。超高圧電子顕微鏡（HVEM）はサイズが大きいため、対物レンズのポールピース 2.1 汎用 TEM による CT 電子顕微鏡法（TEM-CT）のギャップが 10 mm 程度あり、試料回転が容易に CT を行うためには、様々な角度からの像を取得行えるので 180 度（つまり 360 度）回転が可能となして三次元再構築する必要があるが、そのためにはる。また、高エネルギー電子を用いるのである程度 TEM で行う場合は試料自身を 180 度かそれにできの厚みを持った立体試料が観察できる（シリコンで図 1 TEM-CT のための試料傾斜の様子 130 2006年度物質材料研究アウトルック第 3 部物質・材料研究における今後の研究動向第 1 章物質・材料研究開発のためのナノテクノロジー 2-3 µm、生物試料では 10 µm 程度まで可能）。このても球面収差のためにこの厚み方向の分解能をあげような利点から最近では HVEM による CT 観察がることはできない。そこで、収束レンズ系に最近、注目されている。大阪大学超高圧電子顕微鏡セン実用化され始めた収差補正レンズを組み込み、30 ターでは実用的に CT 立体観察技術が行われ、ナノ mrad 以上の収束角でビームを絞ることによって厚テクノロジー総合支援プロジェクトによって多くのみ方向の分解能を向上させる試みがなされ始めた。材料研究者などに HVEM-CT を開放している。最収差補正された HAADF-STEM では試料面内方向の近では九州大学や NIMS などでも同様に HVEM-CT 分解能は 0.1 nm であり、かつ厚み方向でも 1 nm 程による支援が始まりつつある。度の分解能の実現ができる。 2.3 三次元組成観察（EELS、STEM） CT 技術を利用することによって三次元立体像を 3 ．まとめ得ることが可能であるが、最近、二次元組成マップナノ物質・材料研究における三次元 TEM 法の重や電子線ホログラフィーに CT 技術を組み合わせて要性はますます高まるものと考えられる。TEM-CT 三次元元素分析や三次元ナノ物性測定技術の開発がによるナノ材料、生物材料の立体観察や EELS を組 Cambridge 大学（英）や Arizona 州立大学（米）なみ合わせた三次元分析は、現在、実用的に利用されどにて行われている状況である。高角度円環暗視始めている。今後は、より高い分解能（すなわち野-走査透過電子顕微鏡法（HAADF-STEM）におけ 1nm 以下の分解能）で材料内部や表面・界面の原る CT の場合は、結晶性の試料でも回折効果が起き子・クラスターなどの位置解析を可能にするためのないためより正確な再構築三次元像が得られると期新しい三次元 TEM 観察技術の技術開発が進められ待されている。また、EELS などによる組成マップるであろう。の CT では、形状だけでなく内部に局在する組成の同定が可能となる 1-4）引用文献。 1 ）http://www-hrem.msm.cam.ac.uk/research/CETP/ 2.4 新しい三次元 TEM 技術 EFTEM_Tomo.html TEM-CT の欠点は、様々な角度からの像を再構成するために空間分解能がせいぜい 1-2 nm 程度であることである。1 nm 以下の分解能（さらには原子分解能）で三次元情報を得る方法として、光学顕微鏡の分野で実用化されているコンフォーカルの原理を利用するアイデアが考案されている 5、6）。図 2 に示すように TEM の対物レンズの収差のため、ビームの収束角は 10 mrad 程度であるため、三次元的なビームスポットの縦方向の長さは概ね 10 nm 程度になってしまう。すなわちその場合の厚み方向第３部物質・材料研究における今後の研究動向 2 ）http://www-hrem.msm.cam.ac.uk/research/CETP/ STEM_Tomo.html 3 ）H. Friedrich, M. R. McCartney and P. R. Buseck: Ultramicroscopy 106（2005）18. 4 ）R. E. Dunin-Borkowski and T. Kasama: Microsc. Microanal. 10, Suppl. 2（2004）1010. 5 ）K. van Benthem, A. R. Lupini, Y. Peng and S. J. Pennycook: Microsc. Microanal. 11, Suppl. 2（2005）318. 6 ）K. van Benthem, A. Y. Borisevich, M. F. Chisholm, A. R. Lupini, S. T. Pantelides, S. Rashkeev, M. Varela1 and S. J. Pennycook: Microsc. Microanal. 11, Suppl. 2（2005） 1452. の分解能は 10 nm 程度である。収束角を大きくし図 2 収差の有無と収束ビームのスポット形状の関係 2006年度物質材料研究アウトルック 131