透過型電子顕微鏡での超高精度ナノ組成分析の実現

物質・材料研究機構 構造材料研究拠点

構造材料解析プラットフォーム プラットフォーム長

原 徹

2018.3.8. JST 先端計測分析技術・機器開発プログラム新技術説明会

開発課題・チーム

JST先端計測【機器開発、H25-28FY】

超伝導検出器を用いた分析電子顕微鏡の開発

日立ハイテクサイエンス 田中啓一

九州大学 前畑京介

宇宙航空研究開発機構 満田和久

大陽日酸株式会社 山中良浩

産業技術総合研究所 日高睦夫

日立ハイテクノロジーズ 中村邦康

概 要

•達成したこと：

• 電子顕微鏡で用いる高精度分析装置の開発

• 微細組織観察における組成分析の高精度化

•本報告のねらい：

• 開発した分析電子顕微鏡の情報の公開

• 開発した技術（要素技術）の紹介

内 容

1. 開発の背景

2. 開発装置の概要

3. 開発装置の応用例

4. 今後の展開

5. まとめ

開発の背景(1) 組成分析の手法

•電子顕微鏡における組成分析

• 電子線を試料に照射し、発生

したX線を分光。

• X線分析の原理：• 元素によって発生するX線のエネルギーが違う。

オージェ

光

反射電子

特性X線

連続X線

二次電子

入射電子

透過電子弾性散乱 非弾性散乱

開発の背景(2) 組織解析と組成分析

• 元素添加で組織・特性を作り込む。

• 添加した元素はどのように存在するか？

• 組織解析において組成分析は重要。

粒界性格による差→広視野高分解能

粒界構造

粒界偏析元素、量、幅

マトリクス組成組成ゆらぎ

析出物組成、構造、形態、量

局所構造と組成

開発の背景(4) 従来技術の問題点

• 従来技術ではエネルギー分解能が低く(130eV)、隣接ピークが分離できない。

• 異なる原理に基づく、高いエネルギー分解能（10eV）の検出器の開発が必要。

A(KeV) B(KeV) dev.(KeV

Ti Kβ 4.93 V Kα 4.95 0.02

V Kβ 5.43 Cr Kα 5.41 0.02

Cr Kβ 5.95 Mn Kα 5.90 0.05

Mn Kβ 6.49 Fe Kα 6.40 0.09

Fe Kβ 7.06 Co Kα 6.93 0.13

S Kα 2.31Mo Lα 2.29

Pb Mα 2.35

0.02

0.04

Si Kα 1.74 W Mα 1.78 0.04

解決しようとすること

• 電子顕微鏡でのナノ領域の組成分析を高度化する。

• 高精度・高感度の検出器を開発する。

8

従来技術イメージエネルギー分解能130eV

開発目標イメージエネルギー分解能<10eV

内 容

1. 開発の背景

2. 開発装置の概要

3. 開発装置の応用例

4. 今後の展開

5. まとめ

新技術の特長

• 走査透過型電子顕微鏡(STEM)に搭載するX線分光分析装置を新規開発。

• X線スペクトルのエネルギー分解能の大幅向上が目的。

• 近接ピークを分離測定し、ほぼすべての元素の分析を可能に。 従来技術

ΔE<130eV開発目標ΔE<10eV

開発した装置の性能

項目 目標値

(1) 組成マップ取得機能

装備

(2) マップの空間分解能

10nm

(3) エネルギー分解能

10eV

(4) 計数率 5kcps

(5) 温度安定度 ±4.2μK@100mK半年以上動作

採用した検出器の原理

12

吸収体

熱浴

サーマルリンク

超伝導体(温度計)

X線

~100mK

logR

Tc(~100mK)

Temp.

~mK

α

超伝導遷移端センサ(Transition-edge sensor; TES)をX線検出器として応用。

ΔE∝√(kbCT2)

Fabricated by Mitsuda Lab., JAXA ISAS

外観と構成

GM 冷凍機

希釈冷凍機STEM

TES 制御卓

X線レンズステージ

ベローズ

希釈冷凍機

STEM

冷凍機架台

要素技術(1) 冷凍機

• 液体ヘリウムフリー冷凍機

• GM－希釈冷凍機を分離。

• 最低到達温度 55mK。

• 高安定度(±4.2μK)。

• 半年以上の長期連続運転。

• 低振動。分析装置に応用可。

GM冷凍機希釈冷凍機

ガスハンドリング

要素技術(2) 検出器

• X線検出数の向上：多素子検出器の開発

SQUIDコネクタ

サファイアドーターボード

←希釈冷凍機

スノート

8x8素子超伝導配線13cm

製作した8ｘ8素子検出器部外観。

内 容

1. 開発の背景

2. 開発装置の概要

3. 開発装置の応用例

4. 今後の展開

5. まとめ

開発装置の応用例(1)TiとBaの分離

Co

un

t (arb

. un

it)

Co

un

t (arb

. un

it)

BaLa4467

TiKb

BaLb1

BaLb2BaLg1

BaLh

BaLl

TiKa4509

BaLa

TiKbBaLb1

BaLb2BaLg1

BaLhBaLl

TiKa

Energy (eV)Energy (eV)

BaTiO3, SDD TES

従来型検出器 開発した検出器

開発装置の応用例(2)SiとWの分離

Co

un

t (arb

. un

it)

Co

un

t (arb

. un

it)

Energy (eV)Energy (eV)

SDD

Si Ka

W Ma1

W Mb1

Si Kb1

TES

Si Ka

W Ma1

W Mb1

Si Kb1

従来型検出器 開発した検出器

マップ取得機能を実装

(1)X線カウントマップ機能実装

定量のための補正方法を開発中。

(2) マップの空間分解能10nm

幅12nmのTi層を画像化。

12nm幅 Ti層

WとSiをマップ上で分離

開発装置の応用例(3)

• 鉱物系サンプルの測定事例

• 福島原発事故由来の微粒子の分析。

• 高い感度を活用した未知試料の構成元素の正確な同定。

T.Kogure et al., Microscopy, 65-5, (2016),451-459 doi: 10.1093/jmicro/dfw030.

従来型検出器

開発した検出器

同一粒子

別の粒子

別の粒子

内 容

1. 開発の背景

2. 開発装置の概要

3. 開発装置の応用例

4. 今後の展開

5. まとめ

開発装置の課題と取り組み

• 定量化手法の確立。

• 検出効率の向上。

• 多素子化を完成させる。

• 新検出器を製作中。

• マップ機能の拡充。

• ドリフト補正など。

今後の展開

• 応用研究に供しながらブラッシュアップ。

• 幅広い分野のニーズに対応する装置に。

問合せ先：物質・材料研究機構 構造材料研究拠点原 徹Tel. 029(860)4599e-mail : HARA.Toru@nims.go.jp

まとめ

1. 超伝導X線検出器を応用した分析電子顕微鏡を開発した。

2. 新規に開発した分析装置により、従来比一桁高いエネルギー分解能での分析が可能になった。

3. 微量元素の検出感度が向上した。

4. 定量化、マップ取得機能の開発を継続中。