放射光赤外顕微分光とイメージング
木村真一

大学共同利用機関法人自然科学研究機構分子科学研究所極端紫外光研究施設〒4448585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38
国立大学法人総合研究大学院大学物理科学研究科構造分子科学専攻〒4448585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38

池本夕佳

財団法人高輝度光科学研究センター放射光研究所利用促進部門〒6795198 兵庫県佐用郡三日月町光都 111

要旨

シンクロトロン放射光を用いた赤外顕微分光およびイメージングについて紹介する。赤外領域では，市販の顕微分光装置を用いてある程度の性能は得られているが，放射光を用いることで初めて回折限界の空間分解幅での顕微分光が可能になった。そればかりでなく，高輝度性を利用した多くの新しい分光法も開発されつつある。それらについて解説するとともに，今後の赤外放射光利用の展望について述べる。

1. はじめに入されて使用されている。このような市販の装置を用いた
場合には，波長 10 mm （波数 1000 cm－1, hn＝ 0.12 eV ）よ「シンクロトロン放射光は，赤外から X 線まで切れ目のり短い領域では，50 mm 程度の空間分解幅での分光測定お無い光であり…」と多くの解説書や紹介文には書いてあるよびイメージングが簡便に可能である。そのために，上にが， X 線や真空紫外放射光のこれまでの急激な進展と比示した波長範囲と空間分解能の測定では，放射光の必要性

較して，赤外放射光の利用はあまり進んでいない。その理はほとんどないといってよい。

由は，赤外領域は放射光の出現以前でも，物質が熱を持っしかしながら，波長程度の空間分解能が必要な微小試料た場合に必ず現れる黒体輻射を利用した光源が存在していや微小領域からのシグナルを得るためには，回折限界にせたためである。黒体輻射光源は，全放射強度は高くかつ安まる必要があるため黒体輻射光源を使用しての実験は難し

定性は極めて高いため，数 mm 程度の大きさの試料で絶い。実際に， Fig. 1 に典型的な黒体輻射光源，国内の赤外対値が必要な実験には有効であり，現在でも広く利用され放 射 光 ビ ー ム ラ イ ン で あ る UVSOR BL6B1) と SPring-8ている。また，最近の測定技術の発達によって，市販のBL43IR2,3)の輝度と強度（光子数）の計算値と測定値を示

フーリエ変換赤外干渉分光計と赤外顕微鏡との組み合わせす。この図の中で，黒体輻射光源の強度は大面積用（光源たシステムが開発され，企業や大学等の多くの分析室に導サイズ直径 5 mm ）と小面積用（直径 1 mm ）について

Fig. 1

Brilliance (left) and photon ‰ux (right) spectra of UVSOR BL6B, SPring-8 BL43IR and a black body lightsources. The dashed and solid lines are calculated and measured spectra, respectively.

290 ● 放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5

解説 ■ 放射光赤外顕微分光とイメージング示してある。一般に使われている黒体輻射光源は，光源のサイズが 10 mm 程度であり，試料の大きさによって光源にアパーチャーを入れて視野を制限する。顕微鏡での利用の場合では空間分解能を上げるために小さく絞って用いる。一方，放射光はもともと光源サイズが直径 1 mm より小さいために，アパーチャーを導入する必要はほとんどない。この図から，黒体輻射光源は，大きな試料に対しては強く，放射光と肩を並べる程度かそれ以上であるが，小さい試料に対しては，極めて低い強度になり，放射光のほうが圧倒的に強くなる。このことは，放射光が高輝度であることに対応している。
以上のように，赤外放射光を使った場合は黒体輻射光源
では不可能な高い輝度を使った実験が可能である。そのために，赤外放射光を使った顕微分光が世界中に広まっていFig. 2

Schematic ˆgure of optics in the infrared microscope at SPring-8 BL43IR and its photo.

る。特に最近建設された放射光施設には，必ずといってよ
いほど赤外ビームラインが建設されている4)。その主な目
的は，上で示した回折限界分解能での顕微分光である。まるのは難しいのが現実である。そこで，顕微赤外分光にた一部の放射光施設では，顕微分光が可能な領域を波長

は，すべて反射鏡で組んだ光学系を用いる。

10 mm 以上のいわゆる遠赤外テラヘルツ領域に拡張しよFig. 2 に典型的な赤外顕微鏡である SPring-8 BL43IR のうという動きがある。これらを使った研究が必要な場合

顕微分光装置10,11)の光学系を示す。放射光は，マイケルソに，はじめて放射光の必要性が生まれるものと考えられ

ン型フーリエ干渉分光計を通った後，この顕微鏡に導かれる。

る。SM1 によって透過反射光路が選択される。Sample

以上のように，赤外顕微分光の空間分解幅はせいぜいstage 上の試料に対して透過スペクトルを測定する場合はmm 程度であり，原子を識別できる nm には程遠い。しか下方（ SM2 → SM3 ）から，反射スペクトルを測定する場しながら，赤外分光で得られる情報は，格子分子振動に合は上方（ SM4 → SM5 ）から光が導入される。それぞれよる結合の大きさや配向，キャリアの密度や緩和時間などの方向から導入された光は，Schwarzschild 鏡を用いて試

他の顕微分光測定に比べて多くの情報がある5)。これらの料上に集光される。ここで，反射光路上にある SM5 は光

情報が mm ～数十 mm 程度の空間に不均一に分布している軸の半分の大きさだけしかなく，鏡がある領域は入射光学

場合には，赤外顕微分光およびそのイメージングが役に立系，鏡がない領域は出射光学系になっている（半分ミラー

つことになる。このような系として，生体物質6)や強相関と呼ばれている）。これにあわせて， Schwarzschild 鏡も系の相分離7,8) などがあり，現在盛んに研究が進められて半分が入射側，残りの半分が出射側として用いられる。透いる。

過測定の場合には， SM5 は外され， Schwarzschild 鏡全赤外顕微分光法に関する詳しい解説は他書9)に譲るとし面を出射光学系として使うことになる。つまり，反射測定て，この解説では，顕微赤外分光と赤外イメージングの基では透過測定に比べ光の効率は半分である。また，上方

本，装置の現状を紹介したのち，赤外放射光を利用した顕Schwarzschild 鏡で集光された光は， SM6 で検出器に集微分光の測定例について述べ，今後発展させるべき課題に光される。

ついて考えたい。

この Schwarzschild 鏡が赤外顕微鏡の心臓部である。通常は，倍率 8 ～ 32 倍程度，開口数（ Numerical aperture,

2. 赤外顕微分光法とイメージング

N.A.，集光角の半分の正弦）が0.3～0.7程度のものがよく使われる。（BL43IR では倍率 8 倍，N.A.＝0.5のものが使

可視領域の顕微鏡は，よく知られているように，主にレンズ等の透過光学素子で光学系が組まれている。その理由われている。）一般に，顕微鏡の空間分解度 r（2 点を識別できる最短距離）は，は，可視領域は 800 ～ 400 nm 程度でせいぜい 2 倍程度の波長幅であり，可視全領域で同じ屈折率をもつ光学素子が

r＝k×l/N.A.

可能であるためである。一方で，赤外顕微鏡では，近赤外から中赤外領域（ 1 ～ 25 mm ）をすべてカバーしようとすで表される。ここで，l は波長， k は光学系の係数で一般ると，この 1 桁以上の領域全体で屈折率が一定の物質はに 0.61 程度である。つまり，N.A. ＝ 0.5 の場合の空間分解

ほとんど存在しない。また，赤外領域は格子振動分子振度は，波長の約1.2倍になる。

動による強い吸収が存在するため，透過光学素子を使用す以上の条件から，赤外顕微鏡に必要な光源のエミッタン

放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5 ● 291

スを見積もることができる。空間広がりを r，角度広がりを sin－1(N.A.) とすると，必要なエミッタンスは，

r×sin－1(N.A.)＝0.64l[mrad]ということになる。実際，波長10 mm （1,000 cm－1， 0.12

eV）の場合に Schwarzschild 鏡で決まる空間解像度12 mmを達成するために必要なエミッタンスは，ss′＝6.4 mmrad ということになる。
このエミッタンスの値と，赤外光源を比較してみよう。
市販の赤外干渉分光計に内蔵されている光源の取り込み角）であり，光源サイズを 1 mm （＝2s）
は約 15 度（＝2s ′＝ 66 mmrad ということになる。この場とすると， ss ′合，波長10 mm の光では，焦点面は二次元であることを考慮して，1 程度の光しか使うことができない。放射光のFig. 3場合， SPring-8 BL43IR の第一焦点の大きさ12) と発散角
から縦方向と横方向のエミッタンスは sxs′x＝6.2 mmrad，sys ′
y＝ 0.35 mmrad と見積もられる。この結果から，理Focal image at the sample position of the IR microscope at
the SPring-8 BL43IR micro-spectroscopy station using SR
and no aperture (a), using internal globar lamp and no aperture (b) and using SR and an aperture with 100 mm in diameter.

想的には全部の放射光が試料上に集光できることになる。
最近建設された UVSORII BL6B では sxs′x＝12 mmrad，

顕微鏡（ AFM ）などが入るが，赤外イメージングもほとsys′y＝ 5.2 mmrad であり，ほぼ必要なエミッタンスと一んどがこの方法で測定されてきた。その理由は，最近まで致しており，赤外顕微分光に適しているといえる。 Fig. 1

多チャンネルの赤外線検出器が存在しなかったためであにあるように，波長10 mm での光源の光子密度は放射光とる。

黒体輻射光源と同程度であるため，顕微鏡を通した場合の走査型のイメージングの弱点は，測定する点数の分だけ検出強度は，放射光が 2 桁以上高くなり，より精度の高時間がかかることである。黒体輻射光源を使った場合でい測定が可能になる。このことが，赤外放射光ビームライ

は，Fig. 3 で示されているように光強度が弱く，測定にかンの建設目的の 1 つが顕微分光である理由である。

なりの時間を要する。たとえば，筆者の一人（木村）が同

実際に， Fig. 2 に示した赤外顕微鏡の試料位置での放射じ試料のイメージング測定を SPring-8 と実験室で行った

光と黒体輻射光源の強度と空間分布を測定した結果を Fig.

ことがあるが，30×30点を SPring-8 では約 3 時間で S /N

3 に示す。 Fig. 3 ( a )が放射光を使った場合， Fig. 3 ( b )は，

よく測定できるのに比べ，実験室では 24 時間かけて測定

光源に黒体輻射光源（ Globar lamp ）を使った場合のどちしても同じ S /N は得られなかった。放射光は顕微鏡を通らも Fig. 2 の lower aperture がない場合の試料位置での光した場合でも強度が強いために，このように短時間で測定

強度の空間分布である。この図から，放射光が100倍程度できるという点も放射光の特徴であるといえる。

強くかつ大きさは縦横とも 1 / 2 ～ 1 /3 程度に縮小している

最近では，赤外領域でもアレー検出器が一般に出回るよ

ことがわかる。これは上で示したエミッタンスの比較とコうになり，多チャンネル型のイメージングが一般になりつ

ンシステントであるといえる。放射光で lower aperture

つある。可視光のイメージングには CCD カメラが， X 線の位置に0.1 mm のピンホールを入れた場合を Fig. 3 (c )にや電子などのイメージングでは，MCP ＋蛍光スクリーン示す。この結果，Fig. 3(a)と比較して空間分解幅が 2 倍以

＋ CCD カメラを組み合わせた手法が広く一般に用いられ上向上しているが，ピーク強度は 80 程度でとどまってているが，赤外線では CCD カメラの原理であるシリコンいる。この結果は，放射光赤外顕微分光での優位性を示しのバンドギャップを超えた光励起は難しく，また MCP をている。

用いても電子を発生させることができないため，上で挙げ赤外顕微分光の応用として分子振動モードやキャリア密た手法は使うことができない。しかしながら， 950 cm－1

度等の空間分布を決定するイメージングがある。この様な以上の中赤外領域では，液体窒素冷却型 Hg Cd Te 素子

測定は，他の手法では変えがたいものである。イメージン（一般に MCT 検出器と呼ばれている）を二次元に配列しグ測定は一般に 2 つの測定手段がある。1 つは単一の検出たアレー検出器（focal plane alley detector)13)が，数年前素子を使い試料を走査させて測定する方法（走査型），もから赤外線用カメラとして市場に出回るようになった。そう 1 つは，多チャンネル素子を使い，試料の各点からののため，一般的な赤外干渉分光計と赤外顕微鏡，二次元まシグナルを一度に測定する方法（多チャンネル型）であたは一次元アレー検出器を組み合わせたシステムが手の届る。前者には走査型トンネル顕微鏡（ STM ）や原子間力

く価格で市販されており，数秒～数分の測定時間で赤外イ

292 ● 放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5

解説 ■ 放射光赤外顕微分光とイメージング

メージングが可能になった。
このような多チャンネル検出器を用いたイメージング測
定は，光源の強度分布および検出器の感度むらを最小限に抑える必要がある。検出器の感度むらは最近の半導体の微細加工技術の発達によってかなり低く抑えられている。一方で，光源の分布は黒体輻射光源の場合はほとんど問題な
いが，放射光の場合は，よく知られているように，放射光の縦方向には波長分散がある（角度が大きいほど長波長が強くなる）ため，試料上に光の強度分布が生じることにな
る。このことは放射光と多チャンネル検出器を組み合わせる上で解決すべき点であるといえる。
また，MCT アレー検出器の測定波数範囲は，二次元検出器の場合は950 cm－1 以上，一次元の場合は700 cm－1 以
上であり，遠赤外テラヘルツ領域の使用は不可能であFig. 4

Absorption spectrum of propylene ethylene copolymerization.

Fig. 5Mapping image of ethylene band correlated by the thicknessband.

る。一般に，遠赤外テラヘルツ領域の検出器としては液体ヘリウム冷却型シリコンボロメータを用いるが，ボロメータをアレー素子にすることは現在のところ技術的に難しい。よって，現在は遠赤外テラヘルツ領域の顕微分光
では走査型の手法を用いる必要がある。

3. 測定例
以下に， SPring-8 BL43IR を中心に測定された実験例
を示す。

3.1

赤外顕微イメージング

まず，出光興産の田中健吉，片山清和らによって行われた，プロピレンーエチレン共重合体粒子内の組成分布に関する研究を紹介する。ポリプロピレンの一種であるプロピ
レンーエチレンブロック共重合体は，結晶性のプロピレン
重合体とゴム状のプロピレンーエチレン共重合体から構成され，剛性と耐衝撃性を兼ね備えた優れた材料で，自動車のバンパーや電化製品など幅広く使用されている。プロピ
レンーエチレンブロック共重合体は，主に Zeigler-Natta

微分光装置では粒子内のエチレン濃度分布を調べることが触媒を用いて製造され，共重合部は気相重合法で製造され困難なため，高輝度光源である SPring-8，BL43IR の顕微ることが多い。しかし，現在の方法では，製造過程で粒子

分光ステーションで測定を行った。試料は，プロピレンー

内の組成に不均一が生じ，生産における安定的な運転や，エチレン共重合体粒子を実体顕微鏡下でマイクロサンプリ

生成物の物理的な特性の制御を妨げている。そこで，粒子ングした。Fig. 4 に粒子切片の吸収スペクトルを示す。波

内のエチレン濃度分布に着目し，様々な条件で作成したポ数分解能は 8 cm－1 であった。 720 cm－1 にエチレンバン

リマー粒子のエチレン濃度分布を調べる実験を行った。

ド， 4200 ～ 4300 cm－1 付近に CH2 の倍波が観測されていZeigler-Natta 触媒は，一次ミクロ粒子が集合した二次る。 4200 ～ 4300 cm－1 のバンドの強度は，試料の厚さを

マクロ粒子からなる。重合反応過程では，まず，ガス状モ

反映し， thickness band と呼ばれる。 Fig. 5 には，エチレ

ノマーが一次粒子触媒と接触して，一次粒子の周囲にポリンバンドの積分強度を thickness band の積分強度でわりマーが生成する。このポリマーが徐々に大きく成長するに算した値を空間的にマッピングした。マッピングのステッ

つれて，二次粒子も大きくなる。全ての一次粒子におけるプ間隔は 10 ～ 50 mm で行ったが， Fig. 5 は 50 mm ステップ

反応が均一で，モノマーの移動速度が，反応速度に比較しの結果である。球形の粒子切片の一部分の強度分布を示し

大きければ，生成ポリマー粒子は二次粒子である触媒のレている。粒子の外周部にエチレン濃度が高い部位が存在す

プリカ状に成長し，組成分布も生じないことになる。ポリ

るものがあることがわかった。粒子内の反応性や移動特性

マー粒子は数十 mm から数 mm と小さく，従来の赤外顕が均一ではなく，移動速度も反応速度に影響していること

放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5 ● 293

Fig. 7

Fig. 6Mapping images of co-crosslinked rubbers. The polymerization condition is diŠerent between (a) and (b).

Absorption spectrum of co-crosslinked rubber.

を示している。更に調製方法の異なる 2 種類の触媒を用いてサンプルを作成し，エチレン濃度分布を調べたが，やはり粒子外周部にエチレン濃度が高い部位があることが観測され，今回使用した 2 種類の触媒では，調製方法は粒子内エチレン濃度分布にあまり影響しない結果となった。
このように，ポリマー粒子の製造方法を種々に変えながら実験を行い，解析を進めていけば，重合器の反応条件と粒子内エチレン濃度分布との関係を明らかにすることができ，製造条件の最適化を図ることができると期待される。

Fig. 8Absorption specgra of alumina powders.

次に SRI（住友ゴム工業株式会社）の岸本浩通らによる研究を紹介する。不飽和カルボン酸金属塩モノマーをゴム中に分散させ重合すると高強度の共架橋ゴムが得られるこらず，赤外放射光を利用するメリットが大きい。以下ではとは広く知られており，様々な用途に用いられている。こ

測定例としてアルミナ粉末結晶を取り上げる。 Fig. 8 はアのような高強度物性がどのように発現されるかは NMR，

ルミナ粉末の吸収スペクトルである。波数分解能は 3

IR 等の構造解析手法が用いられてきたが，同時に大きな

cm－1 で，アルミナ粉末は全て多結晶であった。アルミナ

影響を持つ分散状態や局所情報を得ることは困難であっ粉末には， a 型， u 型， g 型といった多数の結晶型があた。そこで放射光利用の特長である高空間分解能 FT IRる。これらは全てアルミナ水和物を熱処理して得られ，熱手法を用いて不飽和カルボン酸金属塩モノマーの分散状態

処理温度を変えることにより結晶型が制御される。遠赤外を調べる実験を行った。 Fig. 6 は共架橋ゴムの吸収スペク

領域には各結晶型に特徴的なフォノンの吸収スペクトルがトルである 。測定は室 温，透過配 置で行い， 検出器は得られる。これらのフォノンは， AlO4 四面体や AlO6 八

MCT ，波数分解能は 8 cm－1 で行った。図中斜線で示し面体のストレッチングモードに関連すると解釈されていた 1500 ～ 1700 cm－1 に不飽和カルボン酸の振動モードがる14) 。 Fig. 8 のスペクトル( a ），（ b )はそれぞれ a 型， u 型

複数観測されている。Fig. 7 にはこれらのバンドの強度をに特徴的なスペクトルである。今回は，a 型，u 型の粉末

空間的にマップした図を表した。空間分解能は 5 mm で測を混ぜ合わせたものを基板上に分散させ，マッピング測定定を行った。不飽和カルボン酸金属塩モノマーが数十 mmを行った。ステップ間隔は15 mm で行った。マッピング測

サイズのドメイン構造を形成していることが，明らかに観定の結果を Fig. 9 に示す。 Fig. 9 ( a )はスペクトルの 310 ～

測されている。このように顕微赤外のマッピング測定を行

380 cm－1 の領域，（ b )は 400 ～ 480 cm－1 の領域の積分強って，これまで得られなかった分散特性解析や局所部分の度をプロットした。なお，積分領域両端の波数のスペクト

構造情報からを行い，ゴム高機能化の検討を行っている。

ル値を直線で結び，それより下の部分はバックグラウンドとして差し引いた。 Fig. 9 ( a )には a 型，（ b )には u 型が反3.2

テラヘルツ顕微イメージング映される。マッピング領域の下部（Y ＝ 0～100 mm ）には

テラヘルツ領域の顕微イメージングの測定例を紹介すa 型の粉末が，上部（ Y ＝200 ～ 285 mm ）には u 型の粉末

る。市販の顕微分光装置はテラヘルツ領域をカバーしておが分散していることがわかる。また，上部の左右両端（Y294 ● 放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5

解説 ■ 放射光赤外顕微分光とイメージング

Fig. 9Mapping images of integrated strength between (a) 310380
cm－1 and (b) 400480 cm －1.

Fig. 10＝ 250 ～ 280 mm ， X ＝ 0 ～ 40 及び 100 ～ 145 mm ）の領域には(a），（b)ともに積分強度が検出されていることから，a型と u 型の粉末が混在していたことがわかる。

3.3(a) Temperature dependence of optical conductivity [s(v)] of CeSb at P＝4 GPa. (b) Temperature and magnetic
ˆeld dependences of s(v) of CeSb at 4 GPa and the determined BT phase diagram. Each phase is indicated by P
(paramagnetic), F (ferromagnetic), AF1 (single-layer antiferromagnetic) and AF1A (double-layer antiferromagnetic).

高圧高磁場下の赤外分光

赤外顕微分光の応用として，高圧下の分光，さらに低温と高磁場を加えた多重極限環境下の分光研究がある。強相では，特殊な赤外顕微鏡と超伝導マグネット，試料冷却用

関伝導系と呼ばれる電子間相互作用が強い物質は，圧力やクライオスタット，ダイヤモンドアンビルセルを組み合わ

磁場などの外部摂動に敏感に反応して物性が大きく変化す

せた装置を開発し，多重極限下の赤外分光を実現した。こる。その変化の起源である電子状態を光学的に直接観測しの装置を用いて， NaCl 型結晶構造を持つ CeSb の高圧下ようというのが，高圧高磁場下の赤外分光である。電子で現れる電気抵抗の発散の原因を調べた17) 。その結果，状態を直接観測する強力な方法に光電子逆光電子分光やFig. 10 (a )に示すように，圧力 4 GPa ，温度 35 ～ 55 K ではトンネル分光があるが，これらは外部摂動下での測定は難

光学伝導度の低エネルギー側が増大しておらず，擬ギャッ

しく，特に圧力下は現在のところ不可能である。そのたプが表れていることが明確になった。この擬ギャップの生め，高圧下の赤外分光は，電子状態の変化を圧力の関数と成が電気抵抗の増大の原因であると結論付けられている。

して調べる有効な方法の 1 つである。

この擬ギャップが表れるのは， AF 1 相と呼ばれる(001 )高圧実験でよく用いられるダイヤモンドアンビルセルな方向に垂直面内で強磁性，面間で反強磁性を持つ相であどの試料空間は数100 mm 以下であり，通常の分光は難しる。この磁気モーメントと電子状態が強く結びついて，電く，顕微鏡を使った分光が必要である。さらに，高圧セル子状態に磁気モーメントと同じ周期性が表れることで擬ギに用いるダイヤモンドの屈折率により空間分解能が下がャップ構造（superzone gap と呼ばれている）が表れるこ

り，かつ，ダイヤモンドの透過反射による光のロスによとが示唆されている。この擬ギャップ構造は， Fig. 10 ( b )って，実際に検出器まで到達する光強度は著しく下がる。

で示すように，温度や磁場を変えることで AF1 相から別

このことは，低輝度な黒体輻射光源を使った実験は特殊なの相へ移行した場合に消失し，金属状態に変化することが場合を除いては困難であり，高輝度な放射光を用いること明確になった。

ではじめて S / N のよいスペクトルが得られることになる。また，圧力によって電子状態が受ける摂動は，物質に4. まとめと展望も依存するが，極めて低いエネルギーである。光学的にはテラヘルツ領域に相当する。つまり，圧力による電子状態

この解説では，赤外放射光を使用した顕微分光は市販のの変化は主にテラヘルツ領域に現れることになる。この点

赤外顕微分光装置に比べて極めて有効であることを示しに着目して， Chen らは CuIr2S4 の高圧下テラヘルツ分光た。赤外放射光の高輝度性により，波長程度の空間分解幅を行い，加圧による金属→絶縁体転移の起源を調べた15)。

でのイメージングも可能になり，いくつかの新しい研究方

また，多重極限下で現れる物性を解明する手段として，法も生まれ，着実に成果が上がっている。

最近多重極限下の赤外分光が可能になった。市販の赤外顕

赤外放射光の有効性は，全領域で高輝度であることに加微鏡は，working distance が短く，可能な実験が限られて

え，テラヘルツ領域では高強度であることである。一般いる。そこで SPring-8 BL43IR 磁気光学ステーション10,16に，軽い化学物質の分子振動モードは中赤外領域に現れ，放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5 ● 295参考文献

その分析に市販の赤外顕微分光計が使用されている。一方
で，重い分子の振動モードはテラヘルツ領域に存在する。

1)

この領域のイメージングは，本稿で紹介したテラヘルツ放射光を使った方法と，最近発展が著しい短パルスレーザーを用いたテラヘルツ光源を用いる方法がある。これらは，2)光源の強度はほぼ等しいが，後者はレーザーに同期させた
電気光学素子（EO 素子）を用いた検出方法が一般に採用されており，高い感度の検出が可能である。一方で，前者は波長範囲が広いために，見たい振動モードを的確に選び出すことが可能である。これらは相補的であり，うまく使
い分けることで，見たい物理量を的確に抜き出すことが可能であろう。
テラヘルツ領域では，コヒーレント放射光（ CSR ）の

3)
4)
5)
6)

利用により ，さらに強 い光が得ら れる可能性 がある。

CSR の実用化は，各国がしのぎを削って取り組んでお7)

り，今後数年で実用化される可能性がある。そうなれば，
平均 強度 で現 在より 104 ～ 106 強 い光 が得 られ る。 この8)

CSR 光と Eo 素子によるイメージングを組み合わせることで，大面積テラヘルツイメージングや，回折限界を超える空間分解幅を有するテラヘルツ近接場分光が可能になる

9)10)と考えられる。この手法は，生体物質等巨大分子のイメー
ジングに有効であろう。今後の発展に期待したい。
謝辞

11)

本稿をまとめるにあたり，出光興産の田中健吉，片山清
和両博士，SRI（住友ゴム工業株式会社）の岸本浩通博士

12)には，貴重なデータを提供していただき感謝します。また，

SPring-8 BL43IR のビームラインスタッフ，UVSOR スタ
ッフおよび論文中の共同研究者には，日ごろの実験等，数多くのご協力をいただき感謝します。本研究の一部は，

SPring-8 利 用 課 題 （ 課 題 番 号  2003A0076 NS1 np,

13)
14)
15)

2004A0231NSanp and 2004B0545NSanp）で実施されたものです。

16)

17)

296 ● 放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5

S. Kimura, E. Nakamura, J. Yamazaki, M. Katoh, T. Nishi,
H. Okamura, M. Matsunami, L. Chen and T. Nanba: AIP
Conf. Proc. 705, 416 (2004).
H. Kimura, T. Moriwaki, N. Takahashi H. Aoyagi, T. Matsushita, Y. Ishizawa, M. Masaki, S. Ohishi, H. Okuma, T.
Nanba, M. Sakurai, S. Kimura, H. Okamura, N. Nakagawa,T. Takahashi, K. Fukui, K. Shinoda, Y. Kondo, T. Sata, M.
Okuno, M. Matsunami, R. Koyanagi and Y. Yoshimatsu:
468, 441 (2001).
Nucl. Instrum. Meth. A 467
木村洋昭，木村真一，岡村英一，篠田圭司，森脇太郎，福井一俊，櫻井 誠，難波孝夫放射光 14, 250 (2001).
Swiss Light Source, Canadian Light Source, Synchrotron
SOLEIL, Australian Synchrotron など．
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解説 ■ 放射光赤外顕微分光とイメージング● 著者紹介 ●
木村真一

池本夕佳

大学共同利用機関法人自然科学研究機構
分子科学研究所極端紫外光研究施設助教
授
国立大学法人総合研究大学院大学物理科学研究科構造分子科学専攻助教授
E-mail: kimura＠ims.ac.jp
専門固体物性［略歴］
1991 年東北大学大学院理学研究科物理学第二専攻博士課程修了，理学博士。日
本学術振興会特別研究員，分子研助手，
神戸大助教授などを経て 2002 年 4 月より現職。

財団法人高輝度光科学研究センター放射光研究所利用研究促進部門副主幹研究員
E-mail: ikemoto＠spring8.or.jp
専門赤外分光［略歴］
1998 年東北大学大学院理学研究科物理学専攻博士課程修了，理学博士。 1998
年 4 月2000年 12月科学技術振興事業団
戦略的基礎研究推進事業研究員。 2001
年 1 月より現職。

Infrared spectromicroscopy and imaging usingsynchrotron radiation
Shin-ichi KIMURA
Yuka IKEMOTOUVSOR Facility, Institute for Molecular Science, Okazaki 4448585, Japan
Department of Structural Molecular Science, The Graduate University for
Advanced Studies, Okazaki 4448585, Japan
Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI),
111 Kouto Mikazuki-cho, Sayo-gun, Hyogo 6795198, Japan

Abstract Synchrotron radiation is a powerful tool for spectromicroscopy and micro-spectroscopy in the infrared because of the high brilliance nature. In this paper, the advantage of the infrared synchrotron radiation(IRSR) compared with black body light sources is explained and some examples using the IRSR spectromicroscopy are presented.

放射光 Sept. 2005 Vol.18 No.5 ● 297