助成番号

５－２180920
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ
（和文）

原子分解能電解電子顕微鏡の開発

研究テーマ
（英文）

Development of atomic-resolution field emission microscopy

研究期間

２０１８

年 ～ ２０２１

研究代表者

（漢字）

柳澤 啓史

（カタカナ）

ヤナギサワ ヒロフミ

（英文）Hirofumi Yanagisawa

氏
名

所属機関・職名
共同研究者（１名をこえる場合は、別紙追加用紙へ）

氏
名

年

研究機関名

東京大学/日本科学技術振興機構・特任研究員/さきがけ専任

（漢字）

大門

（カタカナ）

ダイモン ヒロシ（英文）Hiroshi Daimon

所属機関・職名

東京大学/Ludwig-Maximilians
University

寛

公益財団法人豊田理化学研究所フェロー

概要 （600 字～800 字程度にまとめてください。）
ナノスケールに先鋭化された金属針に強電界を印加するとその針先端から電子が放出される。放出された電子は放射状に広がり、それを観測することで針先端のナノの情報を得ることができる。これは顕微鏡法として用いられ、電界電子顕微鏡法（FEM）と呼ばれている。FEM の空間分解能は 1,2nm 程度であるが、本プロジェクトでは我々のこれまで培ったレーザ誘起電界電子顕微鏡の技術・知識をもとに、原子分解能電界電子顕微鏡法を開発することを目的とした。実験は、軟 X 線を針に集光し、針中の電子を励起し、その電子を観測することで行われる。この時に、X 線をナノスケールに集光し、またそのゾーンプレートや針を超高真空下においてサブナノメートルのスケールで位置制御するシステムを構築する必要がある。（その他、装置全体の位置制御や試料を極低温に冷却する機能を搭載する必要がある。）このようなシステムを設計し、本助成金を用いて開発した。開発したシステムを用いた原子分解能顕微鏡の実証実験は放射光施設にて 2022 年 7 月に行われる予定である。提案した顕微鏡が実現すれば、1 生体分子を非破壊で観測する世界初の手法となる。
以上の実験は放射光施設のみで可能であるが、我々の実験室にても、FEM を用いて 1 分子の観測が可能であることが我々の研究で分かってきた。FEM で用いられる針先に分子を蒸着すると、2 つ葉や 4つ葉といった特徴的な電子放出パターンが得られることが 70 年前よりわかっていた。一方で、その像の解釈は 70 年間はっきりしてこなかった。本プロジェクトにおいて我々は実験と分子動力学的計算を行うことで、針先端の強電場下での分子配列を決定することに成功した。この結果観測されているパターンが 1 分子から出ていることを明らかにした(成果は Scientific Reports に掲載)。また、そのパターンが分子の分子軌道を表していることを明らかにした(現在論文投稿中)。

- 1 -発表文献 （この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文課題

Field emission microscope for a single fullerene molecule

著者名

Hirofumi
Yanagisawa et. al.

雑誌名Scientific Reportsページ

2174～発行年

2雑誌22

巻号

12

論文課題

Laser-induced field emission from a tungsten nano-tip by circularly-polarized femtosecond laser
pulses

著者名

Hirofumi
Yanagisawa et. al.

雑誌名Physical Review B

ページ

045406～

発行年

2

雑誌

0020

巻号

101

論文課題
雑誌

著者名
ページ

雑誌名
～

発行年

巻号

発行年

総ﾍﾟｰｼﾞ

発行年

総ﾍﾟｰｼﾞ

書名
図書

著者名
出版社
書名

図書

著者名
出版社

英文抄録 （100 語～200 語程度にまとめてください。）

This project aims to develop an atomic-resolution field emission microscopy (FEM). Applying strong
electric fields on a sharp metallic tip drives electron emission from a tip apex. The emitted electrons
propagate radially from the apex and magnify the nanoscopic information on the tip, which serves aselectron microscopy, known as FEM. The spatial resolution of FEM is limited to 1-2 nm. In order toachieve atomic-resolution FEM, we need to engineer the momentum distribution and energy of theemitted electrons and our idea is to modify those electron parameters by irradiation of X-ray onto thetip apex. We have constructed an ultra-high vacuum system to perform FEM experiments with X-rays
using the Sumitomo funds. This July, the first experiment is scheduled to be conducted in asynchrotron facility (UVSOR). In addition to the development of the new vacuum system, we haveclarified the physics of electron emission patterns from molecules in FEM, which has remained
shrouded in mystery for over 70 years. We summarized this work in two papers and published one in
Scientific Reports. (The other one was submitted to a journal.)- 2 -研究代表者名

柳澤 啓史

（漢字）

奥田太一

（カタカナ）

オクダ タイチ（英文）Taichi Okuda

所属機関・職名

広島大学・教授

共同研究者
氏
名（漢字）
氏
名（カタカナ）

ペーター フォールナー

（英文）Peter Feulner

所属機関・職名

Technical University Munich, Professor

（漢字）
氏
名

（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名- 3 -