生産と技術

第60巻第２号（2008）

電子顕微鏡でできるナノ加工
若平 原 佳 織＊者

Nano-process in electron microscopy
Key Words : carbon nanotube electron microscopy nanomechanics process

１．はじめに私が TEM により撮影した結晶構造像を初めて見

平成 19 年度１月より工学研究科機械工学専攻でたのは名古屋大学工学部応用物理学科の三回生のと助教として採用され、１年余り経った。ナノ工学領

きだが、教科書のモデル図で見ていたような結晶格域という18 年 10 月開設の新講座で透過電子顕微鏡子が直視できていること自体に感動でき、原子が整（TEM）を用いたナノ構造物質の加工に関する研然と並んだ様はとても美しいことを知った。そのと究を行っているが、機械工学分野では全国的に見てきはあまり深く考えなかったが、「見える」というも TEM による研究がそれほど多くなく、私の様なことが何より強い証拠になると、現在に至るまで強どちらかといえば理学系の色彩が強い経歴の研究者く意識することとなり、四回生ではその像を見た研が機械工学専攻の教員になるのも珍しいように思わ究室で高分解能透過電子顕微鏡法を学ぶことにれる。今回、この記事を執筆させて頂くにあたり、な った。博士前期課程でカーボンナノチューブ

私が機械工学専攻に着任するまでを振り返ると共に、（CNT）と呼ばれる炭素六員環構造が円筒状に閉

現在阪大で進めている研究を少し述べさせていただ

じた構造体が研究テーマだった縁から、修了後は電き、機械工学という分野で TEM がどのような工学

子顕微鏡学の第一人者で CNT の発見者でもある飯領域を開拓できる（できそう）かを、私なりに改め島澄男氏に師事し、名城大学で研究員として研究活て認識する機会にさせていただきたく思う。

動を進めた。
TEM は像を得るだけでなく、同じ場所から電子

２．透過電子顕微鏡〜百聞は一見にしかず回折図形が撮影でき、X 線回折で行う様な周波数空光学顕微鏡が可視光を使って観察物の像を拡大す間での平均構造解析がナノサイズの局所領域に対しるように、TEM は、その名前の通り観察物試料をて行える。高結晶性材料の解析では像のみよりもは通過（透過）した電子線を、レンズを使って結像するかに高精度で解析できる。飯島氏が CNT を発見る。電子線の波長（加速電圧 100kV で約 0.003nm）した際も、電子回折により CNT が様々な螺旋構造は可視光（数百nm）に比べて極めて小さく、レンを持つことを示した。CNT の螺旋構造はカイラルズ収差による像のぼけ等を考慮しても、汎用装置で指数という２つの整数の組で定義され、CNT はカの分解能は 0.2 nm 程度である。原子１個は見えなくイラル指数の値によって電気的性質が異なる。実際ても金属結晶の格子像が観察できる程度である。に合成される CNT は一本一本がさまざまな螺旋構造を持つので、一本レベルの確実な構造解析手法が＊Kaori HIRAHARA

1974年12月生
名古屋大学大学院・博士前期課程工学研
究科・応用物理学専攻（1998年）
現在．大阪大学大学院 工学研究科機械工学専攻複合メカニクス部門 助教 博
士（理学）電子顕微鏡学、固体物理、結晶学、材料科学
TEL：06-6879-7815
FAX：06-6879-7815
E-mail：hirahara@mech.eng.osaka-u.ac.jp

必要である。私はナノ回折と呼ばれる極小領域での回折手法を CNT 一本に適用できるようにアレンジし、得られた電子回折の強度分布を詳細に検討した結果、
直径 1.5 〜６nm の CNT では 95 ％以上の確率でカイラル指数を一義的に決定できるまでに解析精度が向上できた。
CNT の中空空間に異種物質を詰め込んだ新奇複合物質の創成も試みられた。最初に内包したのはフ− 34 −

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ラーレンという球殻状分子で、フラーレン分子が内て CNT 一本レベルの特性が議論できれば、ナノデ包された CNT は TEM 像上での形状がサヤエンドバイスなどへの応用にも寄与できる。18 年の夏頃、ウに似ていることから、ピーポッドと呼ばれるよう現研究室の中山喜萬教授より、ナノ工学領域というになったが、金属内包フラーレンピーポッドを講座を機械工学専攻に新設するとのお話を頂いた。

TEM 観察したところ、フラーレン分子の籠の中に機械工学専攻というと全く立ち入ったことのない分金属単原子が閉じこめられた様子が写っていた。こ野に思えて当初やや抵抗感があったが、TEM の研れは二つの点で重要な結果といえる。ひとつは三次究室が機械工学にあるのは新鮮なことに思えた。機

元結晶中で自転しているはずのフラーレン分子が一械工学分野での基礎知識を得た学生が TEM を使え次元結晶では数秒単位で静止している直接の証明でる環境は、そう多く用意されているものではない。

あること、それから、CNT 内で一列に並ぶことが、TEM は整備された装置で単に像を撮れば良い訳で分子一個体の像観察を可能にしたことである。特にはなく、像に何が写っているかを適切に解釈するた

後者は、CNT の単分子担持材としての活用の可能めには十分に電子光学の知識が必要なため、従来性へのヒントであり、将来の TEM 観察手法を変えTEM を専門とする研究室は、電子顕微鏡学が研究ていくかもしれない。の主柱にあることが多い。他分野の研究者には敷居以上のような成果を博士論文にまとめた後、再びが高いと言われることもしばしばである。だが、電名大の出身研究室（現エコトピア科学研究所）にポ子顕微鏡学そのものは必要最低限にしてナノサイズスドクとして帰ることになった。その数年前に、電の機械現象の解明に専念する、という研究の姿勢が子顕微鏡技術の世界は数十年来のブレイクスルーをあっても、従来の電子顕微鏡学者とは異なった観点、迎えていた。対物レンズの球面収差補正の実現で、発想を適用して新たな着想や思いがけない発見が期原子一個を分解できる、真の原子分解能が実現し、待できるかもしれない。そう言った意味で、半分怖名大では国内一号機が導入され半導体材料などの成いもの見たさのような気持ちで阪大へ助教として赴果が出始めたところだった。炭素原子が観察できる任した次第である。

ように装置を調整すると、従来の TEM では透明だった、CNT を構成するグラフェン一枚の六員環構

４．ナノ加工技術に必要なのは、器用な「手」とよく見える「目」造中の炭素原子像が捉えられた。同時に球面収差補
正は分解能向上以外にも利点があることに気づき、現在トランジスタやセンサなど様々なナノデバイ

新しい三次元構造解析法の開発に繋げられるのではスが研究されているが、その実現にはそれらを構築と期待しているところである。

する部品の素材や加工技術の開発が重要な鍵といえる。曲げ、切断、溶接、固定、メッキ、等、多岐に

３．ナノ科学から機械工学分野へわたる機械加工をナノ構造体単体に対して精度良く

ポスドク時代までは CNT の構造解析手法の確立行うには、加工する「手」となる技術の開発が重要という、ナノ材料科学よりは比較的電子顕微鏡学をな課題である。現在、ナノ加工ができる「手」とし興味の中心として研究を進めてきたが、カイラル指ては操作プローブ顕微鏡が最も一般だが、操作と像数が電子回折で決定できるようになり、像でも優れ取得を同一カンチレバーで交互に行うので、加工とた装置を使えば欠陥一個レベルの観察が可能になっ観察が同時には難しい。これに対し、本研究室ではてきた頃、そのような構造解析法で何を明らかにす目的物質をナノメートル精度で三次元操作できるるのが面白いのか、と考えるようになっていた。一「手」となるピエゾ素子駆動式マニピュレータを般に、ナノサイズの構造物質は、局所的な構造変調TEM 内に組み込んでいる。この機構は、TEM といが物質全体の性質に大きく影響することが知られてう強力な「目」を持っていることが、最大の利点でいる。CNT の場合、理想的なモデルではカイラルある。TEM 内部での一連の加工過程が加工精度以指数で電気的特性が決まるが、実際に合成される上の高分解能で同時に観察・記録できる。比表面積

CNT には多少なりとも欠陥がある。局所領域の構が大きく体積のきわめて小さいナノサイズの物質で造を捉えるには極めて威力を発揮する TEM を用いは、格子欠陥、歪みなど、加工に伴う局所領域の構− 35 −

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造変調や表面構造が素材全体の特性に影響を及ぼす計測することで、それらの相関を明らかにしようとと予想できるが、TEM 内部でナノ物質を自在に加している。学生は今年度から配属されたばかりで、工しながら、加工に伴う局所的な構造変調を像観察

そのほとんどが研究生活一年目だが、数ヶ月かけてし、同時に物性測定を行えば、ナノ加工に特有な物ようやく TEM を使いこなせるに至り、研究も軌道性の形態依存性や最適加工条件が詳細に調べられる。に乗ってきたところである。今後、本研究室のよう本研究室では、カーボン原子を骨格とする CNT やな機械工学とナノ固体物理学の学際領域から発信さタンパク質など生体高分子に注目し、これらナノ材れる成果を積み重ねていくことによって開拓されて料の「ナノエンジニアリングの体系化」を研究の中いくであろうナノ加工技術の体系化という分野は、心課題に掲げている。一本の CNT の塑性変形や将来のナノテク産業発展のための重要な基盤要素にCNT 同士の接合、接着など、さまざまな加工を行い、なると考えている。

原子レベルの構造変化と電気特性・力学特性を同時− 36 −