2024年度放射光学会若手研究会＠9月2日：天成園小田原駅別館

放射光の歴史～キャリアパスと産学連携～
東京大学物性研究所
尾嶋正治
０．自己紹介、キャリアパスと産学連携
１．放射光の原理（抄）２．放射光の歴史（抄）３．放射光の応用：産学連携への展開
４．放射光科学の展望

０．自己紹介：尾嶋って、Who？
1949年 兵庫県豊岡市生まれ（県立豊岡高校卒）
1968年～1974年 東京大学入学、応用化学専攻修士課程修了
1974年～1995年 日本電信電話公社研究所：半導体表面研究
1981年～1982年 Stanford大学電気工学科Visiting Scientist⇒放射光科学
1982年～1995年 KEK-PFにNTTビームライン建設、統括責任者
1984年
工学博士（東京大学）＜NTT研究所は50歳定年⇒放射光研究を続けるには大学に行くしかない＞
1995年～2013年 東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻教授：46歳⇒半導体表面化学、放射光科学「放射光の産業利用」がライフワーク
2013年～現在
東京大学放射光連携研究機構（後に物性研）特任教授、特任研究員（名誉教授）
2015年～2024年 東京都市大学特別教授
論文：620報
学会：日本放射光学会会長、日本表面科学会会長、日本化学会筆頭副会長
フェロー：応用物理学会、日本化学会
知財高裁専門委員（4年間）
社外取締役：昭和電工（現レゾナック：8年間）

（私の）キャリアパスと産学連携
留学＜好きな研究継続の肝＞②最先端オリジナ
ル技術を磨く③変動ニーズに対応した技術開発⇒長く続ける④論文を書きまくる⇒放射光は博士号 共同研究の場

PR
資金
信頼

産学連携

キャリアパス

①英語力を磨く

テーマ
共益
特許

3

②最先端オリジナル技術を磨く:尾嶋case
Hunter Monochromator,NIM 1982
１）Grating/Crystal Monochromator ＠PF
VUV＋軟X線＋テンダーX線 1983-1995
光電子分光＋XAFS+X線定在波複合解析+MBE２）結晶成長+in situ 放射光解析(ARPES)＠PF(MBE+PLD)
1995-2013
３）軟X線発光分光（RIXS)＠SPring-8
Operando分光 (NEDO,FIRST)2006-2013
４）ナノ光電子分光（顕微鏡）＠SPring-8
Operando分光(基盤S,CREST)2006-2023
4
HAXPES, EXAFS, XMCD, PEEM,赤外分光など

１．放射光の原理

B ：磁場
q ：電荷量v：荷電粒子の速度

フレミングの左手の法則
磁場に関するローレンツ力F

F = q(v x B)

放射光の特徴
1) 高い放射光強度⇒高感度測定
2) 赤外線から硬X線（あるいはガンマ線）までの連続光⇒元素選択性、XAFS構造解析、XES(RIXS)など
3) 高輝度（レーザー光のような高い指向性）⇒高分解能 （空間、エネルギーなど）
4) パルス光（数10ps幅の時間構造）⇒時間分解測定
5) 偏光性（直線偏光、左右円偏光）⇒磁気イメージング、軌道の対称性などなど
強力な磁石（最小ギャップで約1 Tesla）を交互に並べたアンジュレータの開発⇒短周期の真空封止アンジュレータ⇒アンジュレータ中心の高輝度な放射光リング（第３世代）の建設
6

SPring-8
X線源より10億倍以上明るい
SPring-8HP

放射光の全パワーと臨界エネルギー
光速に近い相対論的速度で運動する電子が磁場で軌道を曲げられた時、放出される電磁波の波長はDoppler効果とLorentz 因子 γ (=E/m0c2 )で短くなる。E：電子の運動エネルギー、m0：電子の静止質量、c：光速。SPring-8（8 GeV）ではγ は約16,000
放出される電磁波の全パワーP(Watts)/1電子
P [kW] = 88.47 E4 [GeV] /ρ [m]. (1)ρは軌道の曲率半径2/γ

臨界エネルギーEc （または臨界波長λc）：0 eV からエネルギー Ec までの放射パワーの積分値がちょうど0 eVから無限大までの全放射パワーの半分になるエネルギー。
Ec [keV] = 0.665 E2 [GeV] x B [Tesla] (2)λc [Å] = hc / Ec = 5.59 ρ / E3
ここでE は電子のエネルギー、B は磁場、h はPlanck定数、
SPring-8ではB=0.679 Tesla、ρ =39.3 m⇒Ec=28.9 keV 8

SPring-8の臨界エネルギーEcとエミッタンスε1010 個ぐらいの電子が固まりとしてバンチを形成(2436max)⇒エミッタンスとはこの電子バンチの空間的な広がり

Ec=28.9 keV

水平方向 と垂直方向について、電子ビーム径とビームの角度広がりの掛け算で定義
ε:[nm•rad]
高輝度リング⇒低エミッタンス
2.4nm•radさらに0.05nm•radへアンジュレータからの放射光多極磁石列であるアンジュレータからの放射光は、各磁石で曲げられた電子から放出されるX線が次々に干渉し、磁石列の周期に比例する波長のX線が強め合うため、強力な準単色X線が得られる。この放射波長は以下の(3-5)式で表される。
λn [Å]= λu [m] / 2nγ2 x (1 + K2/2 + γ2θ2)(3)
K = 93.4 B0 [Tesla] λu(4)1次光35次光
By = B0 sin (2πz/λu) (5)ここでλn のnはn次光、λu は磁石列の周期長、K は磁場の強さを示すパラメータ(偏向定数)、
θ は中心線からZ軸方向への観測角、By は周期磁場の強さである。
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日本物理学会編「シンクロトロン放射光」培風館1986年ほか.

２．放射光の歴史
１）1946年に放射光が理論的に予測される(J. Schwinger)２）1947年にGEの円形加速器（シンクロトロン）で最初に観測(70MeV)⇒ シ ン ク ロ ト ロ ン 軌 道 放 射 (Synchrotron
Orbital Radiation: SOR)
３ ） 1963 年 に は 米 国 NBS （ 国 立 標 準 局 ： 現NIST）の円形加速器(SURF： 0.28GeV)で放射光が研究用に利用（第１世代）
４ ） 1975 年 か ら 東 大 物 性 研 SOR リ ン グ(750MeV)が放射光専用加速器として研究用に利用（第２世代）、

11

２．放射光の歴史
５）1982年から高エネルギー物理学研究所（現高エネルギー加速器研究機構）の放射光実
験施設（PF）で2.5GeVの蓄積リング（第２世代）が放射光研究用に利用⇒物質科学・生命科学・地球科学などにおいて放射光利用
６）1997年世界最大の放射光施設SPring-8（第３世代）利用開始
７）2009年X線自由電子レーザーXFEL(LCLS： 第４世代）がSLACで利用開始
2012年SPring-8サイトのXFEL（SACLA）が利用開始
LCLS12

世界の放射光施設
緑はFEL
https://new.spring8.or.jp/index.php

ASIA/OCEANIAJAPAN：PF, SPring-8, UVSOR, HiSOR, Rits, Saga , New SUBARU, SACLA,
Aichi SR, NanoTERASUKOREA：PLS(Pohang), XFEL SINGAPORE：HELIOS2 INDIA：NDUS(Indore)
CHINA (PRC)：SRF(Beijing), NSRL(Hefei)，SSRF(Shanghai), SXFELTAIWAN：SRRC (Hsinchu) THAILAND：SIAM(Nakhon Ratchasima).
RUSSIA：SSRC(Novosibirsk), Siberia(Moscow) ARMENIA: CANDLE(Yerevan)
JORDAN：SESAME(Allaan)AUSTRALIA：Australian Synchrotron(Melbourne)
EUROPEFRANCE：ESRF(Grenoble), LURE(Orsay), Soleil(Sacrey)
U.K.：SRS(Daresbury), DIAMOND(Oxfordshire)
GERMANY：HASYLAB(Hamburg), BESSY-II(Berlin)、ANKA(Karlsruhe),ELSA(Bonn),European XFEL(Hamburg)
ITALY：DAFNE(Frascati), ELETTRA(Trieste) SPAIN ：ALBA(Barcelona)
SWITZERLAND：SLS(Villigen), Swiss FEL
SWEDEN：MAXII(Lund)
POLAND: SOLARIS(Krakow) DENMARK: ASTRID((Aarhus)
NORTH AMERICA/SOUTH AMERICA
U.S.A.：APS(Chicago), ALS(Berkley), SSRL(Stanford), NSLS(Brookhaven),
CHESS(Ithaca), CAMD(Baton Rouge), LCLS(Stanford)
CANADA：CLS(Saskatoon)
BRAZIL：LNLS(Campinas)

世界の第３世代放射光源
https://www.mext.go.jp/component/b_menu/shingi/toushin/__icsFiles/afieldfile/
2014/01/15/1342517_9_1.pdf

14第４世代放射光源
X線自由電子レーザー（XFEL）の開発（第４世代）
米国LCLS(2009年) 、日本SACLA（2012年）、ドイツEuropean XFEL（2017年）⇒約20フェムト秒の超短パルスを用いた時間分解構造解析⇒100アト秒台のX線開発(LCLS-II)
回 折 限 界 蓄 積 リ ン グ (Diffraction-Limited Storage
Ring: DLSR)100pm・rad以下の超低エミタンスリング⇒SPring-8-II計画(50pm・rad超低エミタンス、1 nm
ナノビーム・コヒーレントX線など）
R. Bartolini;15
https://www.elettra.eu/events/2017/PHANGS/uploads/Main/Abstract2330.pdf

３．放射光の応用：産学連携への展開（私の放射光研究の歴史）
モットー「基礎を深く、ニーズを的確に捉えた共同研究を強い信頼関係で長く続ける」
Case study
GaN LEDの解析（民間共同） 東大ー昭和電工：１２年間
東大ーLSI１１社（特に東芝、パナ、① 半導体LSIの解析（STARC)
NEC、富士通、沖、ルネサス）（民間共同）：１４年間② 燃料電池触媒の解析
東大ー東工大ーNEDO参画各社（東（NEDO) ：９年間
芝燃料電池、帝人、東レ、旭化成）
燃料電池触媒の解析（民間共同）東大ートヨタ: ３年間⇒社長表彰③ Liイオン電池の解析（FIRST） 東大ー産総研ー日本触媒：５年間
グラフェンFETの解析（NEDO） 東北大ー東大ー住友電工：３年間

Wolfgang Pauli「固体は神が創り給うたが表面は悪魔が創った」

1947年 H. Brattain, J. Bardeen 点接触型トランジスター発明
1949年 W. Schockley 接合型トランジスター発明
17

1980年代「界面を制する者は半導体デバイスを制す」

界面解析には⇒光電子分光法
アインシュタインの光量子説：1921年ノーベル物理学賞
シーグバーンのｘ線光電子分光1981年ノーベル物理学賞

物性、機能を支配

化学結合

hn = EB + Ekin. +光の粒子性を使って電子状態を、波動性を使って結晶構造を解析＝＞物質・デバイスの機能と相関

EB; 結合エネルギー
Ekin.; 光電子の運動エネルギーf; 仕事関数
（フェルミ準位と真空準位の差）

分析・計測に対する産業界のニーズ：文科省科政局基盤課先端計測タスクフォース（約20年前）
電気（R社）、化学（D社）、鉄鋼（S社）、精密機械（R社）関係の4社＋α
１．分析データはいっぱい出るが、ソリューションにつながらない。
⇒コンサルタント、高い見識
２．トップを説得するのに、インパクトあるイメージが必要。
⇒ ２次元、３次元、動画
３．環境制御下での解析⇒デバイス動作中オペランド解析
４．マクロからミクロ、さらにナノ（不均一領域）⇒空間分解能<10 nm、ΔE＜0.1eV、マルチスケール解析
５．いつでも使えてどんどん性能が向上：電子顕微鏡（放射光？）⇒いつでも日本のどこかで放射光運転
６．「見えないもの（欠陥）を見たい」「デバイス界面の電子状態」⇒電荷分布、微細化学結合、固定電荷、界面準位、空孔⇒ 数値解析、理論計算で補完

物質・デバイスの機能・物性と構造、電子状態

機能・物性
VUV:
数～数10eV
軟X線:
数100eVby回折格子

電子状態

TenderX線: 結晶構造、分子構造
1-数keV
硬X線>10keVby 二結晶分光

超伝導、触媒、高速性、エネルギー変換効率、磁石性能、耐久性など
価電子帯と伝導帯、HOMO/LUMO⇒ARPES, XAFS,XES, HAXPES⇒XRD, XAFS, XSW

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Case study ①:半導体LSIの放射光解析（STARC 14年間）
半導体理工学研究センター：民間11社のコンソーシアム

高分解能
ARPES
@BL1C
J.H. Oh, H.W. Yeom, MO et al.,Phys. Rev. B63, 205310 (2001).

Siα、Siβ1.背景と目的（1）高誘電率(high-k)ゲート絶縁膜

電圧V

面積S

複雑な元素濃度分布f(t)が重要

Metal
SiO2

Metal

n-Sin-Si

電流 Ip-Si sub.
なぜSiが勝ち残ったか？⇒安定な酸化膜SiO2のおかげ

High-k

膜厚doxn-Si

SiO2n-Sip-Si sub.
面積↓I ∝ k S V /dox
電圧↓ 対策①膜厚↓⇒リーク
対策②誘電率↑LSI用high-kゲート絶縁膜の４課題
１）組成・化学状態
深さ方向分布

３）非接触トラップ密度評価法確立

Metal

41編の共著論文

２）電極/絶縁膜/Si（MOS)界面における反応解析

High-kn-Si

SiO2
p-Si sub.

４）デバイス構造そのままを非破壊でピンポイント局所深さ方向解析

n-Si

CMOS用High-k膜中深さ方向分布解析：裏面測定
n-MOS
TiN
LaO
HfSiO

ARPES⇒MEM解析

S. Toyoda, MO et al.,Appl. Phys. Lett. 96,042905 (2010).

SiO2
Si

熱処理前

熱処理後
TiN

SiO2
HfO2
LaO

MO et al., ECS
Transactions, 33,
231-240 (2010).

Si原子
外方拡散

TiN
La原子
内方拡散

SiO2光電子ピークシフト0.3eVはFET閾値電圧Vthシフト0.3Vとよく対応産業界「薄膜の平均値を測っても意味が無い。
②100nm以下のチャンネル内を測らないと！」⇒LSIゲート絶縁膜のピンポイント解析：JST-CREST

東京大学ビームライン（アウトステーション）
東京大学放射光連携研究機構長(2006-2013年）
25①時間分解光電子分光 50 ps③軟X線発光分光装置
エネルギー分解能 50 meV②光電子顕微鏡解像度70nm

3D Nano ESCAの開発：70nm空間分解能＠SPring-8
X線は界面を見るには最適だが、絞れない！

K. Horiba, MO et al., Rev. Sci. Instr.
2011
屈折率refractive index

光電子アナライザ
VG Scienta R3000

X線の複素屈折率：
n = 1 - d - ib ⇒ほぼ１35 nm

放射光

マニピュレータ+
ピエゾステージ(内部)Fresnel Zone Plate

Si LSI⇒有機トランジスタの動作中Operando解析
東大新領域 竹谷先生、松井氏、鶴見氏と共同研究
Source Cracks Drain
3ML single-crystalline C10-DNBDT a-axis
N. Nagamura, MO et al., Appl.
Phys. Lett. 106, 251604 (2015).

Drain Current [x10-6A]

100503ML
SiO2SiBack Gate

Gate voltage

0-50-100-20V-150-200-30-30V-20-10
Drain Voltage [V]0Semiconductor
Parameter Analyzer

成果は必ず
新聞発表
Potential profile
Gradual Channel
Approximation(GCA)

C 1s Kinetic Energy (eV)OFETチャンネル内ポテンシャル分布の直接観察：実験値と計算値の比較

Au electrode N. Nagamura, MO et al.,Appl. Phys. Lett. 106, 251604 (2015).
(Drain)
VG = -30 V, VD = -9 V
3ML C10-DNBDT
Au electrode(Source)-9V

Vth = -19.5 V
Theoretical profile
Position x (μm)

Case study ②: 燃料電池用非白金触媒の開発

H2

NEDO-CACプロジェクト（9年間）

e-e-H+H2

燃料極

O2
空気極

高分子電解質

固体高分子型燃料電池
エネルギー変換効率：
４５％＋４０％

高価・希少な白金を大量使用(南アフリカとロシアで算出)
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燃料電池用非白金炭素触媒の合成法と発電特性
J. Ozaki et al., Carbon 45, 1847 (2007).

Transition Metal complex

Phenolic resin

NCarbonization

NNN

N

M

NNN

フタロシアニンM=Fe(Co, Ni)1000
セル電圧／ｍV
セル電圧（mV)TEM image of Multi
CAC

0.2W/cm2=>0.55W/cm2900
800
700
600
500
400

東工大集中研東芝燃料電池300

TT-CAC-1-A
TT-CAC-2-A

200

TT-CAC-3-A

100
010 nm

0200

400

600

800-2

電流密度／ ｍAcm2)
電流密度（mA/cm31 1000

燃料電池用非白金触媒の放射光解析戦略
放射光解析（東大）
炭素触媒中NとFe不純物の化学状態解析（HAXPES、XAFS)
ミニ燃料電池発電中
Fe不純物の状態解析（軟X線発光分光)

触媒合成（東工大、企業）⇒燃料電池特性評価（東芝燃料電池）

第一原理計算（北陸先端大）モットー「基礎を深く、ニーズを的確に捉えた共同研究
32を強い信頼関係で長く続ける」⇒機能向上に貢献

放射光で燃料電池機能を解明
放射光で直接HOMO,LUMOを見よう！
X-rays corresponding tocore level energies of N,C, and Fe

1%
N 1s

OccupiedC 2p, N 2p,
Fe 3dFeCEF

Unoccupied
C 2p*, N 2p*,
Fe 3d*

元素毎に選択して分析

N
HOMO LUMO

光電子分光

C 1s

0.5 %
Fe 2p

X線吸収分光
軟X線発光分光 エネルギー損失分光

★★★
高活性★
低活性

炭素材料中の窒素原子が決め手⇒第一原理計
算でも立証

1: ピリジン型

T. Ikeda, K.
Terakura,
MO et al. J.
Phys. Chem.
112, 14706(2008).

3: グラファ
イト置換型

緑: C
青: N
赤: O

2: ピロール型

4: N-O結合

黄: H

34

発電中Operando発光分光で本当の姿を見る！：鉄も重要
Y. Harada, MO et al., Rev. Sci.
Instrum. 83, 013116 (2012).

NEDO燃料電池プロジェクト（9年間）

カーボン触媒には窒素1%、鉄0.5%

粉末試料で0.5%の鉄には酸素は吸着しない（触媒ではない）が、発電中の触媒では？

日刊工業新聞にて新聞発表
SPring-8 にてプレスリリース

真空大気・
水分バイアス印加
試料ホルダー
開発
燃料電池動作下で電子状態解析を行うセルを独自に開発+2.6V～H. Niwa, Y. Harada, MO et al,2.6V
Electrochem. Commun. 35, 57 (2013).
+30V～デバイス動作中の電位変化を初めて検30V
出発電中Operando発光分光で本当の姿を見る！：鉄も重要
Fe 3d電子がO 2p軌道に移動＝＞酸素吸着ピークが消えた！

Elasticpeak

Fe 3d in FeNx
H. Niwa, Y. Harada, MOet al, Electrochem. Com.
35, 57 (2013).
発電中Fe触媒の酸素吸着電子状態（世界初）Case study ③:動作中のLiイオン電池(LIB)が見たい！

酸化反応

電子還元反応Li+放電
LixC ⇔ C + xLi+ + xe-xLi+ + xe- + CoO2 ⇔ LixCoO2遷移金属のd電子が大事
Co4+=>Co3+

Liイオン電池用スピネル型LiMn2O4正極活物質のAsakura, MO et al., Electrochem. Commun. 50,
動作中X線発光分光：D.
93-96 (2015).
最先端PJ（5年間）

充電（Li脱離）

電気化学計測器

C u rre n t (A )

40

Mn4+

Mn2O4

充電（Li脱離）200X

LiMn2O4-20

放電（Li挿入）

Mn3+放電（Li挿入）-6-40x10

0.0

0.2

0.4
0.6
0.8+
Potential (V vs. Ag/Ag )開放端電位: 0.3 V

1.01.2正極活物質中Mnの電子状態変化を初めて観測＝＞理論との比較すると酸素も2-から1-に変化
産総研 朝倉大輔博士との共同研究

４．放射光科学の展望～日本の技術ルネサンスをめざそう！～
GX：Green Transformation

新材料・デバイス研究
自動化・ロボット活用⇒GXへの貢献
最先端解析技術

データ科学

放射光電子顕微鏡など

スパコン
量子コンピュータ
AI

放射光サイエンスの夢・ロードマップ(案）
2010

2020

エネルギー科学
再生可能エネルギー
燃料電池、太陽電池、蓄電池

2030

尾嶋、放射光学会誌2011年9月号
2040
2050

環境科学
グリーンイノベーション
脱レアメタル、最先端触媒、人工光合成

・物質・生命を究める
・超強度場科学の創成

物質科学
新規量子物質相
不均一系、ゆらぎ＝＞新物質概念
生命科学
単一細胞、単一分子の構造・電子状態（機能）

再生医療
iPS細胞
合理的創薬
放射光キッズ@放射光学会
計算科学との融合
設計・合成・解析

放射光利用解析のオリンピック？３要素①より高く： 高感度・高分解能③より強く: 機能予測まで④その場でoperando

オリンピック競技場②より速く: 時間分解42

まとめ：キャリアパスと産学連携～日本の技術ルネサンスの鍵は人材育成にあり～～本多光太郎「産業は学問の道場なり」～