ナノ工 学 研 究 センター 長

幾 原 雄一東京大学大学院工学系研究科総合研究機構教授

超高分解能電子顕微鏡が加速させる材料科学

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「軽元素が近接している様子もつぶさに観察できる。
分解能としては十分なところまで来たといえるでしょう」
幾原雄一

東京大学大学院工学系研究科総合研究機構教授
ナノ工学研究センター長

いくはら・ゆういち：九州大学卒業。 財団法人ファインセラミックスセンター、米ケースウエスタンリザーブ大学を経て、1996 年東京大学助教授。2003 年より現職。2011 年、「材料界面の超微細構造と物性に関する研究」 で独フンボルト賞を受賞。 東北大学原子分子材料科学高等研究機構教授、財団法人ファインセラミックセンターナノ構造研究所主管研究員を兼務。 米国セラミック学会フェロー、世界セラミックスアカデミー会員。

超高分解能電子顕微鏡が加速させる材料科学
経験と勘に頼るものづくりから、理論とその実証を基にした合理的なものづくりへ。
日本電子の超高分解能電子顕微鏡が、材料科学に長足の進歩をもたらそうとしている。

粒界を探るした研究を続けてきた。

学の歴史で、もっとも重大なパラダイム

金 属やセラミックスなどの 工 業 材 料は、材料工学のパラダイム変換

たとえ ば、 ア ル ミ ナ（ 酸 化 ア ル ミニ ウ

小さな結晶の粒が大量に集まった多結晶変換の一つといってもいいでしょう」
ム）に希土類のイットリウムを微量加える体の構造をなしている。その結晶と結晶

その研究の大きなブレイクスルーとなっと、 非 常に強 度が高くなることはよく知が接しているところは粒界と呼ばれ、材たのが、走査透過電子顕微鏡（STEM）られていたが、なぜそうなるか確かめら料の性質に決定的な役割を果たしているの 球 面 収 差 補 正 技 術 の 登 場だ。 電 子 顕れたことはなかった。 幾原教授は、日本で最初に球面収差補正装置を組み込んだとして、近年大いに注目を集めている。

微鏡はその構造上、電子レンズがつくる「結晶の表面、界面、転位、原子空孔な画像周辺部のボケ（球面収差）が不可避STEM を導入したが、これを用いてイッ

どの格子不整合領域は、通常、周期的なとされてきた。 だが、コイルが発する磁トリウムを加える前と後 のアルミナの 界乱れがあって、特異な電子構造を有して力を用いて電子線を絞り込むことで、こ面を観察して比較。 すると、イットリウムおり、それが完全結晶には見られない機れを大 幅に減 少させ、オングストローム原子がアルミナの粒界の特異なサイトに能発現の起源となっています。 粒界の原以下の世界を直接観察できる超高分解能

周期的に入って、アルミナのイオン結合子・電子構造と、機能発現のメカニズムを実現させた。 理論的には古くから知らを共 有 結 合に変えていたことがはっきりを解明できれば、新機能を有した材料開れていた方法だが、実現は難しいとされと確認できた。この発見は、2006 年、サイエンス誌にも掲載。 球面収差補正技発など、産業界へ大きな波及効果が期待ていただけに、90 年代後半にかけて同できます」

技術が相次いで発表されたことは、関係術に対する威力をまざまざと見せつけると話すのは、東京大学大学院工学系研究者に衝撃をもって迎えられた。

ものとなった。

科 総 合 研 究 機 構 の 幾 原 雄 一 教 授。 大 学幾原教授もその一人だ。

そ の 後 も 幾 原 教 授 は、 粒 界 の 原 子レベ

院時代より粒界の原子レベルでの解明に「材料がなぜその機能をもつのかを、原ル で の 解 析 結 果 を サ イエンス 誌 や ネイ取り組み、電子顕微鏡による実測を重視子レベルで解明できる。これは、材料工チャー誌を中心に続々と発表し、2010

年には、その功績が認められ、独フンボルト賞 を、また 2013 年には 文 部 科 学大臣賞を受賞した。
さらに近 年は、セラミックスの 結 晶 界 面中に形成される原子の並びが歪んだ欠陥構造の研究を進めている。 スーパーコン
ピューターで理論計算し、従来の材料に酸化チタン結晶の [110] 方向からの ( 左 )HAADF-STEM 像、( 右 )ABF-STEM 像（GRANDはなかった欠 陥 構 造をもつセラミックスARM で撮影）。 ABF-STEM 像では近接する酸素原子カラムが分離して観察できる。

を設 計。 そ の 欠 陥 構 造を、 球 面 収 差 補
正 STEM で 観 察 することで、 理 論 通りにできているかを確認する。
「 勘に頼り、 経 験を積 み 重ねる従 来 の 材料開発とは、真逆のアプローチ。 計算と観察から得られた合理的な手法に従って、格子欠陥構造を人為的にコントロー ルしていくことで、材料科学は、今後、加速度的に進化するに違いありません」と幾原教授は目を輝かせる。

水素原子も観察できる
超高分解能

ケイ素の原子構造している。

GRAND ARM をはじめ 10 台を超える

幾 原 教 授 の 研 究 室 では、 日 本 電 子 の 超「日本電子の電子顕微鏡部門には、材料日本電子の電子顕微鏡を設置し、東京大高分解能電子顕微鏡「GRAND ARM」

科 学 を 学 ん だ エンジニ アが 何 人 も い ま

学大学院工学系研究科総合研究機構のを世界で最初に導入した。 冷陰極電界放す。 ユーザー視点で開発が進められてい研究をサポートすることにより、ユーザー出電子銃を標準搭載し、最高加速電圧はることが、使い勝手の面でもよい成果をである材料科学者の声を吸い上げ、すば300kV、自社開発の球面収差補正装置生んでいるのでは」と教授は見る。

やく製品の設計に反映、ここ数年の長足産学連携が成し遂げた革新「産学連携室の GRAND ARM には、諸観察できる。 分解能としては十分なとここの進化の背景には、産学連携による効トに注 目が集まっています。 ここで生 みろまで来たといえるでしょう」と、幾原教率的な研究開発体制がある。

出された成果や観察手法が世界に広がるの進化につながっている。

を 搭 載した 最 新 式 で、STEM 分 解 能 は45pm* を誇る。「水素やリチウムといった軽元素が近接している様子もつぶさに外国からの見学者も多く、そのインパク授も太鼓判を押す。

東 京 大 学と日 本 電 子 は、2005 年 よりことで、 あらゆるもの づくりが劇 的に変また、コントローラーの操作感や試料傾「 東 京 大 学・日 本 電 子 産 学 連 携 室 」 を革するかもしれません」

斜角に大きな余裕があることも高く評価共同運営している。 東京大学の施設内にSTEM の進化に対する期待は尽きない。

* メーカー保証値は 63pm

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