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放射光を利用した次世代の表面研究
講演概要集2019 年 11 月 16 日（土）東京大学理学部化学本館 5 階講堂

lV日本表面真空学会

東日本合同セミナー

放射光を利用した次世代の表面研究

令和元年１１月１６日（土）東京大学 理学部化学本館５階講堂〒113-8654 東京都文京区本郷 7-3-1
9:25〜9:30 開会挨拶
9:30〜10:30
KEK
10:40〜11:20

チュートリアル講演
5lo
基礎講座
X.

X

JASRI

11:20〜12:00
基礎講座「X 線回折による表面構造解析」（東北大）若林 裕助
13:00〜13:40
基礎講座「XAFS の基礎と表面観察」（KEK）阿部 仁
13:40〜14:20
基礎講座「放射光を用いた光電子分光実験の基礎と応用」（東京大）松田 巌
14:20〜15:00
招待講演「顕微分光でデバイスを探る〜オペランド測定技術とインフォマティクスを活用した応用展」（NIMS）永村 直佳
15:15〜15:55
招待講演「共鳴非弾性軟 X 線散乱による電子状態解析〜現状と次世代放射光施設での展望〜」（東京大）宮脇 淳
15:55〜16:35
招待講演「スピンダイナミクス観測に向けた放射光による磁気イメージング」（NIMS）山崎 裕一
16:35〜17:15
招待講演「Ｘ線タイコグラフィによる次世代の放射光イメージング研究」（東北大）高橋 幸生
17:15〜

閉会挨拶

17:30〜

技術交流会（企業ポスター展示）

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1.2 GeV2013)

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1)

基礎講座

「放射光 X 線利用の基礎：ビームラインと X 線光学技術」(公財)高輝度光科学研究センター
為則 雄祐

アンジュレータや偏光電磁石などの光源で発生した放射光は、様々な波長(すなわちエネルギー)の光を含んでいるとともに、光源から実験装置に向かって発散しながら進んで行く。
多くの放射光利用において、このような放射光を直接実験に使用することは希で、一般には単色化や集光などの加工を施すとともに、不要な成分を除去した後に実験で使用する。
そのため、放射光施設にはビームラインと呼ばれる設備が設置されている[1]。ビームラインとは、光源で発生した放射光を使用する用途に合わせて加工するとともに、加工された光を安全に実験装置まで輸送するシステムの総称であり、実験装置までを含めてビームラインと呼ぶこともある。
図 1 に、標準的な放射光ビームラインの構成を示した。ビームラインでは、空気による放射光の吸収・散乱によって光強度が減少することを防ぐため、光路上は高真空環境に保たれている。光路中に、放射光を単色化するための分光器や、形状や大きさを最適化するためのミラー・スリットなどが配置されている。これらの機器によって、実験装置に到達するまでに、光の波長・バンド幅・形状や大きさなどが目的に応じて加工され、測定者が待つ実験装置まで届けられる。また、これらの機器の多くは X 線の散乱源となるため、実験者の被爆を防ぐために放射線遮蔽も施されている。

図 1. 標準的な放射光ビームラインの構成例(SPring-8, BL01B1 )。
図の左側に光源があり、図上では左から右に向かって放射光は進んで行く。
[2]

通常、ビームラインに配置されたこのような機器類を、放射光利用者が直接操作する機会は少なく、今日ではビームラインはブラックボックス化されている場合が多い。本講座
では、目にする機会が少ないビームライン機器を概観し、それらの役割を紹介する。また、実験と特に関わりが深い、分光器やミラーなどの光学機器と X 線光学技術の概要についても解説する。
[1] ビームライン技術の参考書として、例えば「放射光ビームライン光学技術入門」日本放射光学会編、などがある[2] http://www.spring8.or.jp/ja/about̲us/whats̲sp8/facilities/bl/list/XXX
CTRX
[1]
X

[2][3][4][5][1]

X[2]J.Wang, et al. Phys. Rev. B 46 10321 (1992).

[6][3] Y.Yacoby et al. Nature Materials 1 99-101, (2002).
[4] M.Anada et al. J. Appl. Cryst. 50 1611-1616 (2017); https://github.com/yusuke-wakabayashi/CTR-structure[5] Y.Wakabayashi et al. J. Am. Chem. Soc. 140, 14046 (2018).
[6]P.R.Willmott et al. Phys. Rev. Lett. 99, 155502 (2007); T.T.Fister et al. APL Materials 2, 021102(2014); I-C.Tung et al. Phys. Rev. Materials 1, 053404 (2017).

XAFS
KEKX,,XX

XAS (X-ray Absorption Spectroscopy)

XAFS (X-ray Absorption Fine Structure, XXXAFS)

XAFS

eV

eV

XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure)
EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)

XANES
EXAFS

XAFS

µm
nm
XAFS
XAFS (PTRF-XAFS,Polarization dependent Total-Reflection Fluorescence XAFS)[1]3[2]

Kramers-Kronig”XAFS”X(TREXS, Total REflection X-ray Spectroscopy)[3] TREXS

~2 nm
~2 nm
XAFS

[4]

[1] W.J. Chun, K. Asakura, and Y. Iwasawa, J. Phys. Chem. B 102, 9006 (1998).
[2] S. Takakusagi, et al., J. Phys. Chem. C 120, 15785 (2016).
[3] H. Abe, et al., J. Phys.: Conf. Ser. 502, 012035 (2014).; H. Abe, et al., Jpn. J. Appl. Phys. 55,062401 (2016).; H. Abe, et al., AIP Conf. Proc., 2054, 040016 (2019).
[4]XAFS

XAFS,(2017).;

EXAFS,(1994).; G. Bunker, “Introduction to XAFS”, Cambridge University Press (2010).; J.
Evans, “X-Ray Absorption Spectroscopy for the Chemical and Materials Sciences”, Wiley (2018).

]

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1))
( ) )

[1] Iwao Matsuda ed. Monatomic Two-Dimensional Layers: Modern Experimental

Approaches for Structure, Properties, and Industrial Use (Elsevier, 2018).
[2] T. Koitaya, S. Yamamoto, Y. Shiozawa, Y. Yoshikura, M. Hasegawa, J. Tang, K. Takeuchi, K.
Mukai, S. Yoshimoto, I. Matsuda, and J. Yoshinobu, CO2 Activation and Reaction on
Zn-Deposited Cu Surfaces Studied by Ambient-Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy, ACS
catalysis, 9, 4539-4550 (2019).

A, JST

B

A, B

SPring-8X(70 nm)[1]
operando 3D nano-ESCA (())

1 Operando 3D nano-ESCA

1)(

operando 3Dnano-ESCA//[3]
Operando 3D nano-ESCA[2]
GaN-HEMT
[4]

411

[5]
[1] K. Horiba, et al., Rev. Sci. Instrum. 82, 113701 (2011).
[2] N. Nagamura, et al., Carbon 152, 680 (2019).
[3] K. Omika, et al., Scientific Report 8, 13268 (2018).
[4] K. Akada et al. Scientific Report 9, 12452 (2019).
[5] T. Matsumura et al., Sci. Technol. Adv. Mat. 20, 733 (2019).

共鳴非弾性軟 X 線散乱による電子状態解析～現状と次世代放射光施設での展望～
東京大学物性研究所
宮脇 淳
共鳴非弾性軟 X 線散乱(SX-RIXS)とは「軟 X 線」を「共鳴」条件で物質に照射した際の「非弾性散乱」現象を利用した観測手法のことである。非弾性散乱とは、粒子を物質に衝突させた時、散乱過程において粒子と物質間でエネルギーの授受が起こり、散乱前後で粒子のエネルギーが異なる散乱のことで、そのエルギー変化を観測することによって、物質中の低エネルギー励起を最も直接的に観測できる手法である。RIXS では、入射 X 線のエネルギーをある電子状態に共鳴させることによって（吸収が起こり内殻正孔の生成が伴う）、元素選択性だけでなく高い化学状態・サイト選択性という特長を持つ。
RIXS で観測できる励起は、電子状態そのものを反映する結晶場や軌道間遷移（dd 励起や ff 励起など）、電荷遷移励起などの幅広いエネルギー範囲の素励起だけでなく、固体中の磁気励起（マグノン）やフォノン、分子系の振動励起などにも及ぶ。また、散乱角（検出角）を変えることによって、固体中の集団励起の分散測定や分子中の励起の対称性を決定することもできる。さらに、X 線を照射し、X 線を検出するため、バルク敏感であり、電場や磁場などの外場による影響を受けることなく電子状態の観測が可能で、物質の状態（固体や液体、気体）や電気伝導度（金属や半導体、絶縁体）などを選ばず測定できることから、電子状態の非常に強力な分光手法の一つと言える[1]。
SPring-8 BL07LSU の RIXS エンドステーション HORNET では[2]、固体のバルクの電子状態観測だけでなく、RIXS の特長を活かし、ヘテロ構造の界面の電子状態観測[3]や電池材料、触媒材料のオペランド計測[4]、水の振動構造の選択的観測[5]、ナノ空間に閉じ込められた水の構造[6]など、多岐にわたる系・環境で RIXS を適用してきた。講演では、RIXSを利用した研究例を概説し、RIXS による固気・固液界面の電子状態観測の展開について述べる。
次世代放射光施設では、超高分解能 SX-RIXS 分光器を建設する計画を進めている。この計画は、HORNET の更新・移設と新規開発の全長約 12 m の大型 RIXS 分光器建設の 2本立てになっている。前者は超高効率 RIXS として、後者は超高分解能 RIXS として、材料探索と物性解明という物質科学の両輪を担う構想となっている。発表では、建設計画の概要について紹介し、期待される実験について展望を述べたい。
[1] A. Kotani et al., Rev. Mod. Phys. 73, 203 (2001); L. J. P. Ament et al., Rev. Mod. Phys. 83, 705(2011).
[2] Y. Harada et al., Rev. Sci. Instrum. 83, 013116 (2012), S. Yamamoto et al., J. Synchrotron Rad.
21, 252 (2014).
[3] F. Pfaff et al., Phys. Rev. B 97, 035110 (2018).
[4] H. Niwa et al., Electrochem. Commun. 35, 57 (2013), D. Asakura et al., Electrochem.
Commun., 50, 93 (2015), M. Al Samarai et al., ACS. Appl. Mater. Interfaces, accepted.
[5] Y. Harada et al., Phys. Rev. Lett. 111, 193001 (2013), K. Yamazoe et al., J. Chem. Phys., 150204201 (2019).
[6] K. Yamazoe et al., Langmuir, 33, 3954 (2017).

F1e)

X

223FF]
2dd3G

1[3(](F33]F3d[1] Y. Yamasaki et al., Phys. Rev. B 92, 220421(R) (2015)[2] V. Ukleev, Y. Yamasaki et al., Quantum Beam Science 2, 3 (2018)

Ｘ線タイコグラフィによる次世代の放射光イメージング研究
東北大学 多元物質科学研究所
高橋幸生
Ｘ線をプローブとする顕微イメージング技術は、厚みをもった試料を非破壊で観察することを得意とし、光学顕微鏡、電子顕微鏡、プローブ顕微鏡とは相補的な関係にある。近年、放射光源・光学技術の進展に伴い、Ｘ線イメージングの空間分解能は飛躍的に向上している。特に、Ｘ線のコヒーレンス(可干渉性)を利用したイメージング技術であるＸ線タイコグラフィは、レンズによって制限される空間分解能の問題を回避し、数 10 マイクロメートルの広い観察視野と 10 ナノメートル程度の高い空間分解能を両立可能な次世代のＸ線イメージング技術である。Ｘ線タイコグラフィは、計算機断層撮影法と組み合わせることにより、二次元イメージングから三次元イメージングへの拡張が可能であり、観察対象の表面を含むバルク全体のナノ構造を可視化できる。また、入射Ｘ線のエネルギー軸方向へ発展させることで、Ｘ線吸収微細構造を取得できることから、ナノスケールでの化学状態分析も可能である。このようにＸ線タイコグラフィで得られるイメージングデータは、多次元のビッグデータであり、量的に人間が直接扱うことが困難である。したがって、データ科学との連携によりイメージングデータから特徴的な情報を抽出することが有効である。本講演では、第三世代放射光施設 SPring-8 の高輝度放射光を活用した高分解能・高感度Ｘ線タイコグラフィ測定技術について紹介する。そして、その応用例として多層銅配線の非破壊三次元イメージング(図 1)、触媒材料(酸素吸蔵・放出材料)の三次元化学状態イメージング(図 2)およびデータ科学との連携による酸化反応傾向の可視化について述べる。
最後に次世代放射光施設でのＸ線タイコグラフィの応用展開について議論する。

図 1 CPU 内の多層銅配線の観察像

図2 酸素吸蔵放出材料 Ce2Zr2Ox のセリウム価数分布像