放射光第巻第号

()解説■

円偏光二次元光電子分光による原子配列立体写真撮影
大門寛

奈良先端科学技術大学院大学，CREST
JST〒6300192 奈良県生駒市高山町89165Stereo Photograph of Atomic Arrangement by Circularly-Polarized-Light
Two-Dimensional Photoelectron Spectroscopy
Hiroshi DAIMON
Nara Institute of Science & Technology ( NAIST ), CRESTJST89165 Takayama, Ikoma, Nara, 6300192 JAPANAbstract
A stereo photograph of atomic arrangement was obtained for the ˆrst time. The stereo photograph was displayed
directly on the screen of display-type spherical-mirror analyzer without any computer-aided conversion process. This
stereo photography was realized taking advantage of the phenomenon of circular dichroism in photoelectron angular distribution due to the reversal of orbital angular momentum of photoelectrons. The azimuthal shifts of forward focusing
peaks in a photoelectron angular distribution pattern taken with left and right helicity light in a special arrangement are
the same as the parallaxes in a stereo view of atoms. Hence a stereoscopic recognition of three-dimensional atomic arrangement is possible, when the left eye and the right eye respectively view the two images obtained by left and right helicity
light simultaneously.

.

はじめに原子構造を直接立体的に見ることは，構造解析の究極的な目的であるが，従来は不可能であった。例えば，表面に作成したナノ構造などの原子配列を電子顕微鏡や電子線回折で解析しようとするときには，見たいところだけを薄く切り出して，電子線をそのナノ構造だけに当てて，原子配列の二次元的な投影像や電子回折像を得ることが通常行われている。しかしながら立体的な配置は直接はわからず，回折スポットの強度分布を，あるモデルを仮定した多重散乱計算と比較することによって構造を推定することにな
Figure 1.

る。少し複雑な構造を解析しようとすると，モデルの数もStereo atomic microscope.

膨大になるので難しい。原子配列構造解析としては STM（走査トンネル顕微鏡）も良く用いられているが， STMで見ているものは電子状態密度であって原子そのものでは.

ないし，最表面の凹凸の情報だけなので一層目と二層目の原子位置の関係はわからない。

立体視
物体が立体的に配列しているとき，それぞれの物体を左右の目で見ると，観測者から物体までの距離によって左右最近，内殻光電子角度分布の円 2 色性という現象を利の目で見る角度が少し違うが，その角度のずれを視差角と用して，原子配列の立体写真を直接撮影できる立体原子顕いう。我々はその視差角の大小によって物体までの遠近を微鏡（Fig. 1）が発明された1)。円偏光 X 線を試料に照射判断できる。左右の目で見た像の中の物体の位置は，視差し，ある原子から出てくる電子の角度分布を「二次元表示角の分だけずれている。それらの一組の像を並べたものが型球面鏡分析器2) （ダイアナ）」という特殊な分析器で測立体写真であり，それぞれの写真を左右それぞれの目で見定する。回転の向きが右回りと左回りの円偏光 X 線を用ることにより，もとの立体配置を三次元的に認識することいて得られた蛍光板上の像が，それぞれ立体写真の右目用ができる。と左目用の像になっており，それぞれの目で見ることによFig. 2 の E, F に左右の目があり，z 軸が頭上になり，xって原子配列構造を立体観察することができる。本稿で軸の方向（u＝90 °，q＝0°）に顔が向いているとする。極は，原理と実験装置について解説する。

座標表示で（ R, u, 0）にある物体 A を，E, F にある左右の目で見た時の視差角 D は，――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光Figure 2. Relation between the distance R and the parallax D of anobject A in a stereo view with right and left eyes at E and F, respectively.

D＝tan－1b
R sin uFigure 3.

第巻第号()

Azimuthal rotation of forward focusing peak.

（1)で表される。ここで，両目の間隔を 2b であるとしている。視差角は，観測者 から物体までの距離 R に反比例し，遠くのものほど視差角は小さい。
.

立体原子顕微鏡の原理

. 光電子角度分布における前方散乱ピーク
この顕微鏡では，「円偏光 X 線で励起された光電子角度分布における前方散乱ピークの回転」という現象を利用しFigure 4. Propagation direction of photoelectrons excited by circularly polarized light. The photoelectrons have right or left orbital
angular momentum which are given by the circularly polarized light.ている。X 線で励起された光電子の角度分布3)の概念図をFig. 3 に示す。
X 線を原子に照射すると光電子が飛び出す。光電子は少し離れたところから回転して飛び出す。これは，雨の日真空中に出て行く過程で周りの原子によって散乱され，光に傘をまわすと，水滴が回したほうに飛んで行くのと似て電子の運動エネルギーが数百 eV 以上の時には，光電子をいる。

放出した原子と散乱原子を結ぶ方向に前方散乱ピークといこの光電子の回転を利用すると，原子配列の立体写真をう強いピークが現れる。光電子の運動エネルギーを選別す得ることができる。 Fig. 5 は，その原理を示したものでることによって，光電子が出てきた原子の種類と軌道を特ある。普通の X 線によって励起された光電子は，原子の定することができる。

中心からまっすぐ拡がるように飛び出すので， Fig. 5 の励起 X 線が円偏光の場合には，前方散乱ピークが Fig.

上の図のように，周りの原子の影が遠くのスクリーンに投3 のように円偏光の電場の回転の向きに D だけ回転する影される。実際には前方散乱ピークは暗い影ではなくて，ことを発見した35)。この発見により，立体顕微鏡が実現明るいピークになる。円偏光 X 線によって励起された時された。には中心から少し離れたところ（半径を b とする）から

. 立体原子顕微鏡の原理（古典力学的説明）

飛び出すので， Fig. 5 の下の図のように，右回りと左回立体視が可能であることの古典力学的説明は次のようにりの時とでは，スクリーンに映る像の位置がずれる。

なる。まず， Fig. 3 におけるピークの回転は，角運動量

このずれは，原子の両側に b だけ離れたところに両目を持った光電子がまっすぐに拡がらずに，回転しながら拡があって周りを見たときの視差角と同じになっている。しがった結果として簡単に説明する事が出来る。

たがって，円偏光 X 線を照射して出てきた電子の角度分

Fig. 4 のように電場が時計回り（ cw ）および半時計回布を二次元的に測定すると，光電子を出した原子から周りり（ ccw ）に回転している円偏光 X 線を試料に照射するを見た時の立体写真が撮れることになる。これらの写真をと，その回転の角運動量をもらって光電子も回転する。普それぞれ左右の目で見ると，光電子が出た原子から見た，通の X 線によって励起されたときには，原子の中心からその原子の周りの原子配列を 10 億倍に拡大して立体視すまっすぐ拡がるように飛び出すが，円偏光 X 線によってることができる。この倍率は現在の最高の電子顕微鏡より励起された時には， Fig. 4 の右の図のように，中心から1000倍ほど大きい。

――放射光第巻第号

()Figure 6. Constant phase surface of photoelectron wave with angular momentum m. The propagation direction of photoelectronwith m＝4 is shown by a red arrow. R＝2 Å, Ek＝150 eV are assumed.の実験結果35)を良く再現する。また詳しい理論計算68)でFigure 5. Principle of stereo photograph taken with photoelectrons which have left and right orbital angular momentum.

も同じ式が導かれている。R が判っている時には，D を測定することにより，角運動量 m が測定できることになる。逆に，通常は m が判っているので，結合距離 R が判る事になる。隣の原子の方向は（ u, q ± D ）の平均方向

. ピークの回転の量子力学的説明（ u, q）で判るので，三次元的な位置（ R, u, q）が詳しい

光電子の軌道角運動量の量子数を l，その z 成分の量子計算を必要としないで直接分かることになる9)。

数（磁気量子数）を m とすると， m は光電子の z 軸のまFig. 6 の矢印は，角運動量を持つ粒子は出射点からまわりの角運動量の量子数である。軸のまわりの角運動量っすぐ出るのではなく，少しずれたところから出ることをm を持った光電子の，原子の外側（ r, u, q）における波意味している。このずれ（b）は衝突径数と呼ばれている。

動関数 C は，球面調和関数 Y ml ( u, q ) を使って次式のよ運動量に b をかけたものが角運動量である。 Fig. 6 で太うに書ける。

い矢印を逆に伸ばすと，原子 O のところで少しずれているが，そのずれが b になっている。その値は角運動量 mC∝eikrPml (cos u)rr

×Y ml (u, q)＝ei(kr＋mq)（2)を運動量 k で割ると推定でき，計算すると 0.1 Å 程度になる。O 原子の左右に b だけ離れたところに両目があって周りの原子を見ていると考えた時， b と実際の目の距離

ここで，P ml ( cos u ) はルジャンドル陪関数であり，極角 u（数 cm ）の比をとれば， 109 倍という拡大率が理解できだけの関数である。円偏光励起による遷移では，始状態とる。

終状態では l は±1 だけ変化し，m は左（右）ネジ円偏光（ 1 )式と(3 )式を比べると，視差角が R に反比例するとのとき m ＋1 （m － 1 ）に変わる。始状態が W4f の場合，ころは同じであるが，分母の sin u の次数が一つ異なって始状態の l は 3 であり，終状態の l は 4 となる。m は 4いることがわかる。しかし，k や b などは角度によらない（－4）が一番強く励起される7)。

定数であるが，磁気量子数 m は光電子の放出角 u に依存（2)式で，位相は i(kr＋mq) で表されるので，位相の等

し て お り ， f 軌 道 な ど の 場 合 ほ ぼ sin u に 比 例 し て い

しい所をつないだ面（等位相面）は Fig. 6 の細い実線とる1,9)。従って，式( 1 )と(3 )は定数倍異なっているだけで破線のような渦巻きを表す。波の進む向きはこの等位相面同じ式である。つまり，角度分布パターンはそのまま立体に垂直である。等位相面が A の所で OA の方向に垂直に写真になっており，左右それぞれの目でそれぞれの写真をなっていないので，光電子の進む方向は矢印のように D見ることによって原子配列を立体的に認識できる。

だけずれることが判る。
一般に，散乱原子が出射原子から見て（ R, u, q ）の所

.

測定例にあると，前方散乱のピークは円偏光のスピン（電場ベク

最近のシンクロトロン放射光技術の進歩により，軟 X

トルの回転方向）の符号（±）に従って，（u, q±D）の所線の円偏光を利用した新しい研究が可能となってきた。高に現れることになる。ここで，D は次の式で表される。

エネルギー研究所の AR リングや PF リング，また世界最mm
D＝tan－12kR sin u kR sin2 u

置されており，数十 eV から数 keV までの強い左右円偏大の放射光施設 SPring-8 には円偏光アンジュレータが設（3)光 を取り 出すこ とがで きる。 今回の測 定は SPring-8 のBL25SU で行われた。
この回転において，ピークの極角 u は動かずに，方位角 q

この立体写真の測定に用いた装置は， Fig. 1 に示しただけが Fig. 3 のように D だけ回転する。この式は，種々もので，我々が独自に開発した「二次元表示型球面鏡分析――

放射光第巻第号()（ d )の原子 A, B, C などによる前方散乱ピークが， Fig. 7( c )の A, B, C などの方向に観測されている。一番上の原子の位置は，（ a ），（ b )において左右に少しずれていて，そのずれが視差角になっている。視差角は，一番上の原子が大きく，下のものは小さいので，（ a ），（ b )の図を左右の目でそれぞれ見ることにより，一番上の原子が近く，他は遠くにあるような原子の立体配列を認識することができる。つまり，（ a ），（ b )は原子 O から周りの原子を見た立体写真になっており，原子 A, B, C などの位置が図(c )のように立体的に見える。
.

この顕微鏡で見えるもの
この顕微鏡で見える構造は，分析器で選んだ特定の原子の周りの構造である。光電子のエネルギーで原子を特定するので，見たい原子の内殻準位のエネルギーが，他の原子
Figure 7. (a), (b) Stereo photograph of W crystal, which are twodimensional angular distribution of W 4f photoelectrons excited byclockwise (cw) and counter clockwise (ccw) circularly polarized
light, respectively. The kinetic energy is 800 eV. (c) a three-dimensional arrangement of atoms when (a), (b) are seen stereoscopically. (d) the crystal structure and crystallographic axes of W crystal.と異なっている必要がある。一般に，原子の種類が違えば内殻準位のエネルギーは異なるので，エネルギー選別によって原子を特定することができる。また，光電子を利用しているので，同じ元素でも，環境の違う原子は内殻準位の微妙なシフトを利用して区別することができる。
照射する光のスポット径の中に，同じ元素がたくさんあれば，それらの周りの構造が重なって見える。単結晶のよ器2)（Display-type spherical mirror analyzerダイアナ）」

うな周期構造を持つものは，単位胞の構造がそのまま見えである。この分析器は，試料から放出された光電子のうるし，周期を持たなくても，表面に同じ向きに吸着した分

ち，ある一定の運動エネルギーを持ったものの放出角度分子などは，分子の構造がそのまま解析できる。従って，単布を，歪み無く広い角度範囲にわたって一度に蛍光板上に結晶が不可欠な通常の X 線回折や電子線回折よりも応用映し出すことのできるものである。エネルギー分解能はパ範囲は広いといえる。

スエネルギーの 0.310,11)である。

この方法は「回折」ではなくて「（投影型）顕微鏡」な図からわかるように，試料から出た角度と，蛍光板に入ので，周期構造は必要ではなく，原理的に分子 1 個でもる角度は厳密に平行であるので，試料から出たときの角度観測可能なものである。分子 1 個の観測を実現するには 2分布がそのまま蛍光板上に歪まずに表示される。外国につの方法がある。一つは，光をナノサイズまで絞るか，分は，この分析器以外にも Eastman 型12) と呼ばれる二次元子一個を針の先のような所に固定するかして，光電子が 1表示型の分析器がもう一種類存在するが，そちらの像は歪個のナノ粒子からしか出ないようにすることである。もうんでいる。立体原子顕微鏡としての最適の配置は，Fig. 1

一つは，この分析器にレンズシステムを備え，拡大像を作のように二次元表示型球面鏡分析器にすれすれに円偏光をって，その一部からの光電子で像を作る方法である。後者入射して測定するものである。このとき歪みの無い立体写の方が一般性が高いので，現在 CREST で開発を進めてい真が蛍光板上にそのまま得られる。 Eastman 型の二次元る。

表示型分析装置でも測定は可能であるが，その場合は像が歪むので画像変換が必要になる。この分析器の場合には像

.

今後の展開

原子の立体配列が直接見えるようになったので，今までの歪みが無いので，複雑な計算を必要とせずに立体写真が見えなかったナノ構造の原子構造の解析，固体表面での原直接得られるという利点がある。

Fig. 7 (a ), (b )は，この装置を用いて測定した W (110 )子分子の挙動の解析の研究が進むと期待される。ナノ構造

面の W 原子の 4f 軌道から放出された光電子の放出角度分の解析は，原子レベルでのナノテクノロジーの発展が期待

布パターン1)であり，この一組で立体写真になっている。

できるし，分子の挙動の解析は触媒環境問題バイオ機

運動エネルギーは 800 eV である。（a ），（b )は，回転の向能解析への寄与などが期待できる。このように，この顕微きが反対の円偏光を用いて測定したものである。 Fig. 7

鏡の開発は多くの分野での基礎的な技術であり，工学，化(d )に W 結晶構造を示す。（ a ），（ b )のパターンは， O 原学，生物など多方面の応用が期待できる。

子から出た光電子の放出角度分布を，［110]方向（図の上得られる距離の精度は0.2 Å 程度であるため，中程度のの方）から見ていることになる。（ a ），（ b )においては，精度の構造解析として，および高精度の構造解析における――放射光第巻第号

()モデルの作成や選別の基準として活躍が期待される。

10)

現在は一枚の画像の測定に 15 分程度かかっているが，将来，円偏光の強度が強くなって回転の向きも高速で変化することができるようになると，左右の像が100分の 1 秒程度で交互に分析器の蛍光板に現れるようになる。それに同期して左右が交互に透明になる特殊なめがねを用いて，Fig. 1 のように蛍光板を見ることにより，テレビの速さ程度の実時間測定も可能になるであろう。そのようになれ

M. Kotsugi, Y. Miyatake, K. Enomoto, K. Fukumoto, A.
Kobayashi, T. Nakatani, Y. Saitoh, T. Matsushita, S. mada,T. Furuhata, S. Suga, K. Soda, M. Jinno, T. Hirano, K. Hat468,
tori and H. Daimon: Nucl. Instrum. and Meth. A467
1493 (2001).
11) T. Nohno, F. Matsui, Y. Hamada, H. Matsumoto, S. Takeda, K. Hattori and H. Daimon: Jpn. J. Appl. Phys. 42, 4756
(2003).
12) D. E. Eastman, J. J. Donelon, N. C. Hien and F. J. Himpsel:
Nucl. Instr. Meth. 172, 327 (1980).

ば SPring-8 などの施設に専用の顕微鏡として設置してお大門

き，広く一般の人々に開放して種々の物質の原子レベル観寛

奈良先端科学技術大学院大学物質創成察が行われるようになると思われる。

科学研究科

これらの研究において，分析器の製作は島津製作所が行ってくれた。実験面では阪大の菅滋正教授の研究室や奈良

E-mail: daimon＠ms.aist-nara.ac.jp

先端科学技術大学院大学のスタッフや学生など多くの共同

専門表面物理学実験者にも恵まれた。これらの共同研究者に感謝する。
略歴参考文献
1)
2)
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4)

5)

6)
7)
8)
9)

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H. Daimon, R. X. Ynzunza, F. J. Palomares, E. D. Tober, Z.
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K. Enomoto, Y. Miyatake, K. Fukumoto, A. Kobayashi, K.
Hattori, H. Daimon, M. Kotsugi, S. Suga, T. Nakatani andT. Matsushita: Surf. Rev. Lett. 7, 643 (2000).
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H. Daimon, S. Imada and S. Suga: Surf. Sci. 471, 143(2001).

昭和51年 3 月

東京大学理学部化学科卒業

昭和 53 年 3 月

東京大学大学院理学系研究科化学専攻修士課程修了

昭和 53 年 3 月

東京大学教務職員物性研究所表面物性部
門

昭和58年 6 月

理学博士（東京大学）

昭和58年 3 月

東京大学助手理学部物理学教室

平成 2 年 3 月

大阪大学助教授基礎工学部物性物理学教室

平成 9 年 4 月

奈良先端科学技術大学院大学教授物質創成科学研究科

応用物理学会論文賞，電子顕微鏡学会賞，市村学術賞功績賞など受賞――