本記事は , 文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」技術スタッフ表彰について紹介するものです .

文部科学省 マテリアル先端リサーチインフラ 令和 5 年度技術スタッフ表彰 技術支援貢献賞

電子エネルギー損失分光法と多変量解析を用いた異種材料界面近傍の微視的な構造の観察受賞者 北陸先端科学技術大学院大学 エキスパート 東嶺 孝一氏に聞く

原子分解能分析電子顕微鏡と東嶺 孝一氏

授賞の後に展示パネルの前で，（左）北海道大学の遠堂 敬史氏（右）東嶺氏

文部科学省では，「ナノテクノロジープラットフォーム（NPJ）事業」（2012 年度～ 2021 年度）に続き，2021
年度から「マテリアル先端リサーチインフラ（ARIM）」[1] 事業に取り組んでいる．これらの事業では進化する共用先端装置を使用する利用者を支援し，装置の価値を利用者の成果に結びつける技術スタッフの活動が極めて重要である．NPJ および ARIM では，その技術スタッフの活動を評価し表彰する制度を毎年行っている．令和 5 年度のその表彰式は第 23 回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議 nano tech 2024（2024.1.31~2.2 開催，
於東京ビッ
グサイト）の初日に展示場東４ホールシーズ＆ニーズセミナー C 会場において開催され，技術支援貢献賞 4 件と，若手技術奨励賞 1 件の表彰が行われた [2]．
この度，技術支援貢献賞受賞者の一人，北陸先端科学技術大学院大学ナノマテリアルテクノロジーセンターの東嶺 孝一氏を Web 取材し，受賞テーマ「電子エネルギー損失分光法と多変量解析を用いた異種材料界面近傍の微視的な構造の観察」に係る技術支援活動について伺った．

ど，意欲に溢れた学生を国内外から広く受け入れ，先端

１．北陸先端科学技術大学院大学におけるARIM

科学技術の確かな専門性を持ち「しなやかな強さと共創

北陸先端科学技術大学院大学の特徴 [3]や研究機関，産業界との連携に基づく新たな共創により，北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）は，学部を置く

ベーション創出拠点として，世界トップの研究大学を目ことなく独自のキャンパスと教育研究組織を持つ，わが指す，という教育と研究の JAIST 未来ビジョンを掲げて国で最初の国立大学院大学として平成 2 年 10 月に設立さ

いる．

１．
１

独自の研究の高度化と先鋭化を進めつつ，国内外の大学
科学技術の未来を拓き世界の持続的発展に貢献するイノキャンパスは，図 1 に示すように，広い自然の郊外にれた．
大学学部に 3 年以上在学した者，社会人，留学生な

ARIM Japan Magazine 2024力」を備えたグローバルリーダとして育成する．また，突如最先端の研究設備を備えた近代的ビルが立ち並ぶ景

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図1

石川県能美市郊外に広がる大学キャンパス

観を創り出している．建物間は積雪に備えて 2 階で接続

この体制で，ARIM の事業運営母体は図 2 左上のナノマされている．冬はスキー場に近く，
夏は海にも近いという．

テリアルテクノロジーセンターである．同センターでは，

恵まれた環境にある．

共用設備の管理・運用，合成・モノづくり・物性解析等
で利用者の支援，データ収集・蓄積，専門技術人材の育成，

１．
２

公開講座の提供等を行う．研究員 3 名，技術職員 9 名（東JAIST における ARIM の体制

嶺氏を含む），研究補助員 1 名の体制である [5]（R6.3.31

JAIST は，NPJ（分子・物質合成プラットフォーム）に現在）．

おける体制を ARIM においても引き継ぎ，更に発展させ

図 2 左下の先端科学技術研究科は，マテリアルサイエ

る体制を敷いている．ARIM の全国組織では先端共用設備

ンス系研究室 35 を擁し，マテリアルの研究を行いつつ，を有する全国 25 機関を，ハブ機関と，各ハブ機関に繋がナノマテリアルテクノロジーセンターを支援する．図 2

るスポーク機関として関係づけるハブ＆スポーク体制を

左の二つの組織は NPJ 時代の体制を引き継いでいる．

作っている．JAIST は名古屋大学をハブ機関とするスポー

ARIM の実施体制では，図 2 右上の情報社会基盤研究セ

ク機関と位置付けられている．ARIM では 7 つの重要技術

ンターおよび遠隔教育研究イノベーションセンターが加領域を設定し，各ハブ機関に割り当てている．名古屋大

わり，データサーバ・ネットワークの管理を担当し，更に，学の担当技術領域は「次世代バイオマテリアル」である

図 2 右下のマテリアルズインフォマティクス国際研究拠[4]．

点が加わり，ナノマテリアルテクノロジーセンターで収

図 2 に JAIST における ARIM の事業実施体制を示す．

図2

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集・蓄積されたデータの構造化・利活用を推進するなど，

JAIST における ARIM の事業実施体制

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表1

共用設備・装置類 [6]情報科学系教員が参画する．

から，利用可否通知が伝えられるまでの JAIST ARIM 内

図 2 の 4 組織の代表者が集まって ARIM 事業運営委の作業の流れと，利用終了後の成果報告書の提出の作業員会が形成されている．事業の主体であるナノマテリアを示している．運営委員会で申請された課題の採択審議・

ルテクノロジーセンターのセンター長が委員長を務め，検討を行うに当たっては，設備担当者に申請の検討依頼

JAIST における ARIM 事業を統括している．

を行い，その検討結果の通知をもとに受諾可否を判断し，

表 1 は，JAIST ARIM における共用設備，装置の一覧で申請者に返答する．設備担当者は，事前に申請内容につある．共用設備，装置は NPJ でも活躍していたもので，いて直接利用者の相談を受けることもあり，また必要に材料解析の先端装置類が揃えられている．クリーンルー

応じて利用者と直接質疑応答をする．

ムとしては，クラス 10, 100, 1000 のクリーンルームがここで，設備担当者は，共用装置の関係教員，ARIM 研

合計 6 室あり，リソグラフィー用装置類，イオン注入や究員，ナノマテリアルテクノロジーセンターの東嶺氏ら

エッチング装置，スパッタ装置，分子線エピタキシー装技術職員，および研究員である．

置などの微細加工装置群が並んでいる．その他に，工作室があり，ワイヤ放電加工機，旋盤，レーザー加工機，

１．３．２

JAIST における技術職員の役割の高度化

3D プリンターなどが用意されている．
JAIST では，開学 2 年後の 1992 年に新素材センター

１．
３

JAIST ARIM における支援活動 [7]１．３．
１JAIST ARIM における利用者受け入れ体制が設置され，2002 年にナノマテリアルテクノロジーセン
ターに改組された．JAIST は前述の通り，独自の研究の高度化を進めつつ，国内外の大学や研究機関，産業界との連携に基づく新たな共創により，科学技術の未来を拓き

図 3 は，共用設備・装置の利用者が，利用申請の提出

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イノベーション創出拠点となることを目指しており，同文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-3

図3

支援フロー図センターには表 1 に示した先端設備・装置を揃え，NPJ，

１．３．３

JAIST ARIM の活動状況 [8]ARIM に参画しており，これらを学内外の利用者の共用に提供している．その成否の鍵を握るのは，共用装置が発JAIST は ARIM 活動として上述のような組織体制，設備・揮する価値を利用者の研究成果に結びつける有能な技術装置により，学内外の研究開発者に設備・装置の共用と職員の存在である．

その代行等の支援サービスを提供しているが，その他に，

従来，一般の大学や研究機関では，技官という職種が装置使用等の研究技術において研究者を支援しているが，教育や研究の前面に出ることはなく，補助的役割，すな・ 年 1 回 の 公 開 講 座（1-2 日 ）， セ ミ ナ ー や ワ ー ク
ショップ・学生研修プログラム ----- 夏休み期間に行う .

わち裏方であった．しかし，昨今の科学技術の研究にお2023 年は「半導体基板上への金属ナノパターン形成」

いては研究を進めるための技術がますます高度化し多様および「Python を用いた透過電子顕微鏡の原子スケー化しているので，そのような研究技術を使いこなし，さらに発展させる人材の必要性が強く求められる．
ナノマテリアルテクノロジーセンターでは，このような技術進化を見据えて，組織として技術職員の役割を位置づけ，利用者支援活動の高度化を図っている．東嶺氏

ル定量解析」
・展示会「JAIST フェスティバル」にブース出展などを行っている．
共用施設での支援件数について，ナノテクノロジープ
ラットフォーム開始以降の推移を図 4 に示す．

の活動状況にその成果をみることができる．

図4

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JAIST における共用施設の支援件数の推移

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筆頭著者の論文が 2 件発表されている [11][12]．また，2020 年 4 月から 2021 年 3 月まで名古屋大学教授 武藤２．東嶺氏の活動状況

俊介氏の研究室で研修し，勉強する機会を得ている．

２．１ バックグランドとなる過去の専門的経験およ
び経歴

２．２

東嶺氏が担当している主な共用装置

学生時代には水素プラズマー溶融金属反応法により作

図 5 は東嶺氏が担当している主な共用装置で，TEM，製した超微粒子試料の粉末 X 線回折実験，及び最大エン

STEM と， こ れ で 観 察 す る た め に 必 須 な 微 細（ 厚 さ

トロピー法を用いた結晶の電子密度分布解析に携わり [9]100nm 以下）で高品質な試料を作製することのできる装[10]，結晶の構造・物性に関する専門知識に馴染んだ．

置群である．図左上に示す集束イオンビーム装置は，Ga

1995 年（平成 7 年）JAIST に入職し，新素材センター（現イオンビームを用いて半導体，セラミックス等，固い無在のナノマテリアルテクノロジーセンター）で，750MHz

機材料から試料の薄片を切り出す装置で，イオンの加速

NMR の依頼測定や，他の NMR 装置群を含めた寒剤供給

電圧を高から低に切り替えつつ加工を繰り返して，イオ等の維持管理業務，クリーンルーム関係設備等の維持管

ンビームによる表面ダメージが少ない試料を作製できる．

理業務に就いた．

表面ダメージをさらに減らすために Ar イオンビームを用

その頃，当時の材料科学研究科教授の大塚 信雄氏（後いたジェントルミリング装置により，さらなる低加速電に新素材センター長になる）からの推薦があり TEM（透圧 で 高 品 質 な 試 料 を 作 り，JEOL JEM-2100Plus（TEM）

過電子顕微鏡）担当も兼ねることになった．初めは TEMで観察する．試料の品質不十分でジェントルミリング装関係の仕事は少なかったが，徐々に増え，文科省のナノ置に戻り，仕上げ研磨を繰り返すこともある．より高度テクノロジー・ネットワーク，ナノテクノロジープラッ

な観測をするためには JEOL JEM-ARM200F（STEM）をトフォーム事業で急増し，TEM 関係担当研究員が 2 名追利用する．

加され，東嶺氏の業務でも TEM 関係の仕事がかなりの部分を占めるようになった．

図 5 左下のウルトラミクロトームは，高分子材料など
柔らかい材料の超薄切片を作る装置である．この試料は，TEM に関する技術の習得は，JAIST 入職後で，大塚氏

日立ハイテクノロジーズ H-7650（TEM）で評価する．さの指導，学内の研究室の依頼測定に対応する過程での勉らに詳細な評価のために上記 STEM を利用することもあ

強，学外の研修等への参加等で行った．なお，東嶺氏がる．

図5

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東嶺氏が担当している TEM，STEM と観察試料作製装置類

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表2

令和５年度主な機器ごとの支援件数※（R6.3.13 現在）

・2006.03.02「新たな技術サービスの展開－高分解能
透過電子顕微鏡技術を例として」（連名：材料科学研究科長，学長補佐兼技術サービス部長

三谷 忠興氏）・2007.03.01「高分解能透過電子顕微鏡による技術サー
ビス」
・2017.03.09「北陸先端大の透過電子顕微鏡関連設備と各測定手法を用いた支援事例について」
また，機器・分析技術研究会 2022.09.01 において

２．
３

東嶺氏の支援担当業務と活動状況

表 2 は，令和 5 年度の共用装置利用者を支援した件数を MS（質量分析），NMR，TEM 等の主な機器ごとに集計「Python-DM hybrid script に よ る 多 変 量
解析プログラムの作製」
なお，JAIST ARIM としての各種催し（１．３．３に記載）のうち、学生研修プログラムに対応した．

したものである．一番多い TEM の支援について，教員が対応した 7 件（大学等）を除く 19 件を東嶺氏が ARIM 研
究員とともに対応した．

３．STEM を用いた EELS について

その活動内容は次の通りである．
（１） 事前相談対応：面談，オンライン，メール等に

JAIST で は， 走 査 透 過 型 電 子 顕 微 鏡（Scanningよる申し込み時の対応である．技術的に受諾可能かど

Transmission Electron Microscope : STEM）JEOL・JEM-

うかを検討し，運営委員会に回答する．図 3 の流れ

ARM200F が 2009 年に発売されると，いち早く導入し，に沿う対応で，相談には ARIM 研究員も同席する．運東嶺氏がその装置の担当者として，その利用価値を引き営委員会への申し込み前に相談する場合もある．

出し，利用者の研究を支援することとなった．この装置（２） 観察用薄片試料の作製：

は透過型電子顕微鏡（TEM）において，微小に集束させ

今では主に ARIM 研究員が対応している．

た電子ビーム（プローブ）で試料材料の薄片表面を走査し，（３） 観察・測定：一部は ARIM 研究員も対応．

各点で散乱されて透過した電子を調べることで，試料の（４） 事後相談対応：利用者の希望によって，オンラ

結晶構造，元素分布，化学状態等を解析する装置であイン，メール等で質疑応答に対応．

る． 型 式 に あ る “ARM” は、Atomic Resolution analytical

場合によりデータ解析等実施．

Microscope（ 原 子 分 解 能 分 析 電 子 顕 微 鏡 ） を 意 味 し，
0.08nm の高い分解能で分析を行うことが可能である．

２．
４

高分解能透過電子顕微鏡ラボ関連の活動報告

この装置の有効性を発揮する二つの使用法として
HAADF（High-angle annular dark-field： 高 角 度 散 乱

東嶺氏は担当する高分解能透過電子顕微鏡関連の自身

環 状 暗 視 野 ） 法 お よ び EELS（Electron Energy Lossの使用技術の向上とともに技術の高度化を図り，利用者

Spectroscopy：電子エネルギー損失分光法）がよく使われ支援への展開を行っており，その役割をラボと称していている．図 6 の左半分に，その二つの検出法の模式図をる．１．３．１に述べたナノマテリアルテクノロジーセン

示す．薄片試料の表面の座標 (x，y) で指定されるポイン

ターの理念に沿った活動である．なおここでは，0.2nm

トに入射した電子は試料で散乱を受けて透過する．散乱を切る分解能を有し，結晶構造像や原子分解能像が観察した電子の一部は，図 6 に ADF と示された環状の検出器

可能な透過電子顕微鏡（JEOL JEM-ARM200F もその例）で検出される．電子プローブを走査することで，x 軸，yのことを高分解能透過電子顕微鏡と呼んでいる．2000 年

軸で決まる 2 次元面の ADF（Annular Dark Field）-STEM

発行の新素材センター技術報告書 Vol.1 に東嶺氏の「高分像が得られる．ここで，高角度（High-Angle）に散乱し解能透過電子顕微鏡ラボの創設」の技術報告が掲載された電子を検出するようにして得られる像を HAADF-STEMた．

像と呼び，原子番号に応じたコントラストとなるので，その後，全国大学技術系職員が集まる総合技術研究会

重元素ほど明るい像になる．一方，透過した電子を真下において活動状況を報告している．

に設けた検出器で検出すれば BF（Bright-Field）-STEM 像・2003.03.06「高分解能透過電子顕微鏡ラボによる研が得られ，TEM の明視野像と等価なコントラストとなる．
EELS は，図 6 左の STEM 模式図で電子プローブによ究支援」（連名：大塚 信雄氏）
・2005.02.18「Java プログラミング言語による高分解

り試料に当てられて通り抜けた電子をその下に設置した

能透過電子顕微鏡の像計算ソフトウェアの作製」

電子分光器（STEM 模式図の下部の黒い機器）で分光し，・2005.03.03「オブジェクト指向プログラムによる教電子が試料を通過するときに非弾性散乱で失ったエネル

育支援－高分解能透過電子顕微鏡のプログラム」

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ギーのスペクトルを取り出す手法である．

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図6

HAADF-STEM 像および STEM-EELS スペクトルの測定（左）と EELS データを結合したデータキューブ（右）の模式図

図 7 に電子が試料を通過する際のエネルギー損失のメ

元のデータキューブが出来上がる [13]．

カニズムの模式表現（図 7 の下半分）と損失スペクトル（図このデータキューブは，観察試料の元素種の空間分布

7 上半分）および両者の関係（赤い矢印）を示す．入射電のみならず，化学結合状態の空間分布の情報も含まれる

子は価電子帯の電子を伝導帯に励起する作用により僅かなど，膨大な情報を保持しており，その中から有効な情なエネルギー損失が起こる．また，内核電子を励起する

報を取り出すことが課題である．対策として，これまでことにより，より大きなエネルギー損失が起こる．なお，

多変量解析を応用する研究が各種行われてきている [14]．

スペクトルのグラフでは，横軸（エネルギー損失）の途

近年は計算を行うためのハードやソフトも揃っており，

中から出力データを拡大し，微小なデータを見られるよ比較的簡単にプログラムを作製して解析を行うことがでうにしている．

きる状況にある．東嶺氏は，そうしたハード・ソフトを

この STEM では上述の HAADF と EELS が同時に測定で利用して STEM-EELS スペクトラムイメージング（SI）のきるわけで，図 6 に示す試料表面の xy 平面の各ピクセル解析手法となるプログラムを作製し，ARIM における利用が損失エネルギーを軸とするスペクトルを持つので，損者支援の実績を挙げている．

失エネルギー軸を z 軸とすれば，図 6 の右部に示す 3 次

図7

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EELS スペクトルにおけるエネルギー損失の発生メカニズム

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用ソフト）上で測定した STEM-EELS-SI データに対して，

４．多変量解析手法の STEM-EELS-SI への適用による解析プログラムの作製 [13]４．
１

多変量解析手法とその適用の目的

多変量解析とは，複数の変数を同時に扱う分析手法の総称であり，因果関係の解明や予測，分類，変数の削減

そのまま，DM 上で多変量解析ができるように，Pythonの ラ イ ブ ラ リ で あ る MCRLLM や 数 値 計 算 用 ソ フ ト の
NumPy を Python-DM 複合言語に導入した．DM 言語で作製した GUI（Graphical User Interface）により，簡単な操作で MCRLLM 計算を実行し，所望する数のスペクトル成分とその分布図を表示することができる．得られたス
ペクトルは DM 上でさらに解析できる．

などを行う．東嶺氏は，STEM-EELS-SI の膨大なデータを

図 8（a）は，図左の ADF 像が示す SI データの矩形領域解析して必要な情報を抽出する手法として多変量解析手から簡単な操作で図右の EELS スペクトルを抽出し，更に，法を取り上げ，多変量解析手法として MCRLLM 法 [15]色の付いた破線で示す 3 か所の例のように，所望のエネを採用した．この手法は統計学の最尤法を用いて解析を

ルギー値範囲をクリック・ドラッグで選択して結合する行うものである．尤度とは，ある結果を観察して，そのことで，解析に用いる SI データを簡単に新たにひとつ作

結果から，どのような前提条件があったと推測するのが成することもできる．図 8（b）は選択した領域の計算結妥当なのかを教えてくれる指標で，尤度が最大になる前果で得られたスペクトルである．それぞれの元素の情報

提条件を数値計算で求める手法が MCRLLM 法である．

が確認される．

多変量解析を STEM-EELS-SI へ適用して求めるものは，
STEM で走査した 2 次元座標の膨大な測定点が持つスペ
クトルデータの中から異なる化学状態を反映する成分をより分けて抽出すること，および，その空間分布を可視化することであった．

４．３

STEM-EELS-SI 測定データの多変量解析の試行

上記の作製したプログラムにより，STEM-EELS-SI のデータキューブに対して多変量解析を試行した．まず 2
種類の成分の分かった試料を用いてそれぞれのデータ

４．
２

STEM-EELS-SI 用多変量解析プログラムの作製
TM

Digital Micrograph （DM：GATAN 社 の 電 子 顕 微 鏡

キューブ（14px, 14px, 900px）をそれぞれ 2 個作り，合計 4 個のデータキューブを，空間平面（x-y 軸）上に図 9（a）
（c）の左図（ADF 像）に示す配置で結合して一つの人工デー

図 8 （a）SI データから複数の領域を指定，（b）新しく作成した SI から指定領域の計算結果

図 9 （a）（c）成分の異なる 2 種類のデータキューブを組み合わせた人工データキューブ（b）（d）これに成分の数を２として多変量解析を適用した結果

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文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-8

タキューブ（28px, 28px, 900px）を作成した．
図 9（a）（c）右図はそれぞれの左図の色を付けた（赤，青）
点のスペクトルデータでノイズが大きくなっている．図 9

10 に示す手法で高分子樹脂基板上に銅メッキ膜を作製し，その界面の平坦性確認のために，微細構造解析を依頼してきた．

（b）（d）は MCRLLM 計算の結果で，それぞれの成分のノ

図 10 は左から，基板となる高分子樹脂表面にエキシマ

イズを除去したスペクトルと分布図が得られた．これにランプによる 172nm 真空紫外光（Vacuum Ultra Violet：

より，作製プログラムの機能の正常性が確認された．

以下 VUV）を照射することで，基板の樹脂表面に対して分子鎖の切断と化学結合手となる官能基の導入による改質処理を行い，さらにパラジウム（Pd）触媒を付与した後，５．作製プログラムを用いた異種材料界面近傍における微視的構造解析の支援例

無電解銅めっき液に浸漬し，めっき被膜を形成している．

５．１ プリント基板配線における銅めっき / 高分子
樹脂界面の解析 [16][17]

使 っ た 硬 X 線 光 電 子 分 光 法（Hard X-ray Photoelectron

次世代の高周波帯域では，電気信号が導体表面に沿っ

Cu めっきの触媒の働きをしていることが分かっている．

て流れる表皮効果の影響が顕著になるため，導体表面の

この試料の STEM-EELS-SI に多変量解析を行った結果を図

粗度によって生ずる伝送損失の低減が課題となっている．

11 に示す．図左は，試料断面の HAADF-STEM 像に解析

従来のプリント配線基板では基板と配線の密着は界面ので得られた成分の空間分布図を重ねて示している．青が凹凸により保たれていたが，今求められているのは，界Cu，赤が Cu2O，緑が樹脂である．図右は，その 3 成分の面の平滑性を維持しながら密着性を保つことである．今スペクトルである．

回の共用装置利用者は，この課題に対処するために，図

図 10

図 11

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STEM-EELS で の 評 価 の 前 に， め っ き 膜 の 結 合 界 面の 構 造 評 価 を 行 う た め，SPring-8 の ビ ー ム ラ イ ン をSpectroscopy：HAXPES）により評価を実施し，Pd が樹
脂とは結合せず金属のままで樹脂に食い込んで存在し，この解析結果で，VUV 照射による樹脂表面改質部分に試料となる Cu めっき膜作製工程：VUV 照射による高分子樹脂表面改質後に Cu 無電解めっき

樹脂基板 /Cu めっき膜界面への STEM-EELS-SI 測定と，多変量解析プログラムの適用 [17]文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-9

めっき触媒の Pd が入り込み Cu めっきの起点になると同くなっている．一方同時に観察された HAADF-STEM 像に時に，VUV 照射で樹脂内にできた官能基が Cu と結合しよれば，CeO2 と Y-HZO は界面まで前者は Ce4+ の Cubic（立て Cu2O を形成して，Cu 配線と樹脂基板の間の強固な密方晶系）構造を後者は Y-HZO の Orthorhombic 構造を保っ着ができた，との結論が得られた [17]．

ていることが確認されている．上記 SI の第 1 ピークは Ceの 4f 軌道と混成した O の 2p 軌道への K 殻からの遷移に

５．
２

CeOx/Y-HZO 界面の酸素欠損領域の解析 [18]よるものである．第 2 および第 3 ピークは，Ce の 5d 軌
道と混成した O の 2p 軌道への遷移に対応するものであ

Hf-Zr-O(HZO) などの二酸化ハフニウム（HfO2）系の誘る．ところで，Ce4+ の 4f 軌道は O の 2p 軌道と混成するが，電体材料は誘電率，光透過率，耐熱性，硬度に優れており，

Ce3+ の 4f 軌道は O の 2p 軌道と混成しないと言われてお特に微細化が進む MOSFET のゲート絶縁膜として SiO2 にり，（b）領域においては Ce3+ と Ce4+ が共存することで第代わって使われている．その後，HZO の 10nm 以下の薄

1 ピークが下がったことが推察される．

膜で強誘電特性を示すことが見つかり，フラッシュメモ

さらに，Ce の M4,5 スペクトル（M4 と M5 準位から伝リに代わる次世代の強誘電体メモリー（FRAM）への応用

導帯への電子励起に伴うスペクトル）に関わる EELS-SI 測を目指す研究が注目されている．

定と多変量解析を実施した．図 13 は図 12 と同様の界面

今回の STEM 利用者は，
HZO 膜の酸素欠損の制御によっ

近傍の EELS-SI データに，多変量解析を実施した結果，分て更なる特性改善を狙う研究を進めている．HZO 膜にはけられた３つの領域と，それぞれの領域のスペクトルを

強誘電体特性を示す Orthorhombic（直方晶系）構造の安示している．図 13（a）中の黄色の破線は Ce3+ のピーク定化のためイットリウム（Y）をドープした Y-HZO 膜をの位置を，青の破線は Ce4+ のピークの位置を表している．

用い，酸素欠損を増やすために，多価元素酸化物である

図 13（b）は，各成分の分布を表している．

CeOx（酸化セリウム）膜で Y-HZO 膜を上下から挟む構造

図 12 と図 13 の結果はいずれも，界面近傍の CeO2 領とした．CeOx 膜と接することで Y-HZO 膜の強誘電特性が域には Ce3+ と Ce4+ が共存していることを示している．ま高まることは実証しており，そのメカニズムを明らかにた，Ce3+ と酸素欠損を含む結晶が Ce4+ と同じ Cubic 結晶することが本観察の目的であった．

構造を形成することは知られている．これらのことから，

図 12 に CeOx 膜（a）と Y-HZO 膜（c）および，その界界面近傍の CeO2 領域には Ce3+ とともに酸素欠損が存在面近傍の CeOx 領域（b）の断面像と，O K 端の EELS スペ

することが示され，その状況が STEM-EELS による解析でクトラムイメージング（SI）を示す．
（a）と（b）の SI を確認できることが明らかになった．

比較すると，一番左の第 1 ピークの高さが（b）の方が低

図 12 Y-HZO 膜（c）とこれに接する CeO2 膜（a）と両者の界面近傍のCeO2 領域（b）の断面像とそれぞれの領域の O K 端の EELS スペクトル [18]図 13 （b）の ADF 像で示す領域の EELS-SI データに，多変量解析を適用して得られた３成分の M4, M5 スペクトル（a）とそれぞれの分布図（b）[18]

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germanium from X-ray powder data by the maximum

６．

entropy method”, J. Phys. Chem. Solids 54(11):1543-

おわりに1548 (1993).

電子顕微鏡等の微細構造解析装置は継続的に進化して[10] K. Nakahigashi and K. Higashimine, “The electron

おり，その進化する機能・性能の価値を有効に引き出し

density distribution in alpha -tin from powder X-ray

利用者の研究発展に結びつけるためには，利用技術の対data by the maximum-entropy method”, J. Phys.:
Condens. Matter 7 6961 (1995).
[11] K. Higashimine, K. Tajima, T. Mitani, “HRTEM
observations on composites of tin and tin dioxide
nanoparticles dispersed on carbon nanotubes bysingle-atoms-to-clusters method”, Science andTechnology of Advanced Materials , 8:4, 282-285(2007).
[12] K. Higashimine, K. Koyama, K. Ohdaira, H.
Matsumura, N. Otsuka, “Scanning transmission
electron microscope analysis of amorphous-Si
insertion layers prepared by catalytic chemical
vapor deposition, causing low surface recombination
velocities on crystalline silicon wafers”, J. Vac. Sci.
Technol. B 30, 031208 (2012).
[13] 東嶺孝一，「Python-DM hybrid script による多変量
解析プログラムの作製」，機器分析技術研究会報告書
O-06 (2022).
[14] 武藤俊介，まてりあ 51 (9), 416-423 (2012).
https://www.jstage.jst.go.jp/article/
materia/51/9/51_416/_pdf/-char/ja[15] Nadi Braidy and Ryan Gosselin, Scientific Reports 9，
18797 (2019).
[16] 東嶺孝一，有本太郎，「真空紫外線照射による樹脂表
面改質層の EELS-SI 測定と多変量解析」，日本顕微鏡学会第 79 回学術講演会 P-M_29 (2023).
[17] 有本太郎，三浦真毅，竹元史敏，東嶺孝一，接着学会第 61 回年次大会講演予稿集，47 (2023).
[18] K. Higashimine, M. Saito, Mohit, E. Tokumitsu,“Visualization of oxygen vacancies at CeO x /Y-HZO interface by spectrum imaging method andmultivariate analysis”, Japanese Journal of Applied
Physics, Volume 63, Issue 4, id.04SP58, 5 pp . (2024).

応した進化が重要である．JAIST では TEM から STEM へと進化する装置を素早く導入し，利用者支援を担当する
東嶺氏の装置の進化に即した支援活動が成果を上げている．STEM から抽出する HAADF 像と EELS スペクトラム
イメージングを掛け合わせて得られる試料の組成や化学状態に関する膨大なデータから，利用者の研究に有効な情報を効率的に取り出すプログラム作製による支援活動
である．
プログラムを有効活用して効率よく短時間で，より多くの利用者に，より深く利用ニーズに応えた成果をもたらすことが期待される．東嶺氏は，利用者への要望として，「より多くの利用者に，STEM のこうした能力を理解し，活用することで研究成果を高めてほしい．企業の若手研究者が，大学院に籍を置いて研究を進めることもその手段と考えられる．また，これからも，微細構造解析
装置の継続的進化に即した支援業務の展開を考えていきたい．
」と述べられた．

参考文献[1] ARIM Japan 文部科学省 マテリアルリサーチインフラ：
https://nanonet.mext.go.jp/[2] 令和 5 年度技術スタッフ表彰：https://nanonet.mext.
go.jp/page/awards_for_technical_staff_R05.html[3] 国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学 大学案内：
https://www.jaist.ac.jp/about/[4] ARIM Japan 公式ホームページ：https://nanonet.mext.
go.jp/[5] ナノマテリアルテクノロジーセンター：https://www.
jaist.ac.jp/nmcenter/[6] JAIST ARIM 共用設備・装置一覧：https://www.jaist.
ac.jp/project/arim/equipment/[7] JAIST ARIM 支援の概要：https://www.jaist.ac.jp/
project/arim/support/（本文の図面のうち図 2 と図 4 は，JAIST ARIM の業務
主任者・教授 高村 由起子氏と同事務局からそれぞれ提供[8] JAIST ARIM イベント情報：https://www.jaist.ac.jp/

された．その他の図面は東嶺氏から提供された．）

project/arim/?news_cat=nc02[9] K. Nakahigashi, K. Higashimine, H. Ishibashi, S.

（向井 久和）Minamigawa, “Electron density distribution in

ARIM Japan Magazine 2024

文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」令和 5 年度技術スタッフ表彰（技術支援貢献賞）-11