ナノテクノロジーの世界ー透過電子顕微鏡法ー

第４回工学体験ラボ
ナノテクノロジーの世界ー透過電子顕微鏡法ー
東京大学総合研究機構
幾原 雄一
入射電子線
二次電子像
二次電子
（反射電子）
X線エネルギースペクトル
特性X線組成像
特性X線
SEM
光
オージェ電子
カソード・ルミネッセンス
非弾性散乱電子
薄膜試料
収束電子線回折
HOLZパターン
CBED
表面形態
電子線エネルギー
損失スペクトル
フィルター像
EELS
透過電子, 弾性散乱電子
Bragg反射電子
明視野像
暗視野像
BFI
DFI
結晶構造
EDX
(EDS)
多波格子像
回折パターン
菊地パターン
MBI
内部組織・形態
SA Dif
µ-Dif
結晶幾何
化学組成・固体構造
ARM-HVEM
JEM-ARM1250
1250kV
Resolution<0.1nm
Cs=1.4mm, Cc=2.4mm
電子線
高分解能電子顕微鏡（HRTEM)
試料
レンズ
対物絞り
結晶格子像
原子構造とHRTEM像
六方最密構造
面心立方構造
Al
Mg
[001]軸入射
[0001]軸入射
窒化ケイ素
電子デバイス極性の直接観察（分解能0.1nm)(窒化ガリウム）
窒素が見える！
Defocus: -35 nm; Thickness: 2 nm
APL (2002)
走査透過電子顕微鏡（STEM） Z-コントラスト法
（画期的技術ー材料解析のブレークスルー）
・分解能 = プローブ径
・Z-コントラスト ~Z2
・直接的イメージ
・同時計測EELS
対物絞り
走査電子線（球面収差補正）
電子プローブ径の
試料
分解能(∼0.1nm)
HAADF
ディテクター
高角散乱
高角散乱電子強度
SrTiO3 [110] HAADF イメージ
~Z2
Sr
（38）
電子プローブ径の
分解能(∼0.1nm)
スぺクトロメーター
Ti
(22)
EELS
BG
Counts
Edge
E
O
(Z=8)
アルミナ（Al2O3）セラミックスの例
∼ ICチップ基板、送電線用碍子、触媒担体などに使用される構造用セラミックス∼
0.05mol%程度の希土類酸化物
Lu2O3添加で高温強度が100倍以上向上
クリープ曲線、1250℃、50MPa
4
広範囲に実用に用いられている構造用セラミックス
高温での強度の改善
無添加
変形
変形量 / %
添加物無し
3
2
変形量の大幅な減少
1
+Lu2O3
Lu2O3添加
高強度
0
100
200
300
変形時間 / ks
400
Z-コントラスト （イットリウム添加アルミナ粒界）
Y （イットリウ
ム）原子が輝
点として観察
される。
Science (2006)
アルミナ粒界におけるイットリウム原子の位置が明確に観察される
ZnO（酸化亜鉛）バリスタセラミックスの例
∼静電気、落下時の衝撃などから電子機器を保護する素子∼
0.2mol%程度のPr, Biの添加
バリスタ特性が10倍以上向上
10-1
急峻な変化
（バリスタ特性）
10-3
/
A
10-2
電流
10-4
10-5
10-6
10-7
静電気や落下による不慮の高電圧を
自動的に回避する電子セラミックス
無添加
添加
+ Pr, Bi
作動電圧を高く
10-8
10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103
電圧
/
V
電子デバイスの電気特性向上
ZnOセラミックス
0.325nm
50nm
結晶粒界が電気特性を支配
PRB, 2004
10nm
ZnO結晶粒界のHRTEM像
電子顕微鏡・第一原理計算
による包括的研究
VZn
VZn
VZn
VZn
VZn
VZn
電気特性の起源解明
高性能電子材料の設計指針
第一原理計算によるPrの役割解明
PRL (2006)
界面原子・電子構造計測ー新たな展開
次世代ディスプレイの開発
材料ゲノム
新規材料の開発
革新的材料設計
超高分解能化
原子スケール設計
燃料電池の実用化
TEM/STEMの新しい展開
計算材料学との融合
定量化
その場観察
材料設計指針
機能発現機構の解明 デバイス特性向上
材料信頼性
触媒機能の向上
表面構造解析