産総研先端ナノ計測施設
AIST Nanocharacterization Facility
文部科学省

マテリアル先端リサーチインフラ（ARIM）

Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan (ARIM)by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT).

産総研 先端ナノ計測施設（ANCF）
AIST Nanocharacterization Facility
産総研 ANCF は、TIA と共用研究開発施設、および、 文部科学省のマテリアル
先端リサーチインフラ（ARIM）の双方に参画し、 両制度の併用で全国からの計測要望に幅広く対応しています。

AIST Nanocharacterization Facility (ANCF), one of AIST’s Open Research Facilities, participatesin both TIA, an open innovation hub, and the Advanced Research Infrastructure for Materials
and Nanotechnology (ARIM) in Japan sponsored by the Ministry of Education, Culture, Sports,
Science and Technology (MEXT). Through these two channels, we respond to a wide range ofmeasurement requests from all over the country.

産総研 先端ナノ計測施設

AIST Nanocharacterization Facility

2

文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ（ARIM）
Advanced Research Infrastructure for Materials andNanotechnology (ARIM) funded by MEXT
2021 年度より文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ事業（ARIM）が 10 年計画で推進されています。ARIM はマテリアルの計測・分析・加工に関する最先端設備の共用とデータ収集・利活用のためのインフラを構築し、以って『マテリアル DX プラットフォーム』の一翼を担い、我が国のマテリアル革新
力の一層の強化を目指します。そのため、これまでのナノテクノロジープラットフォーム事業で構築した共用設備と高度な技術支援を提供する専門技術者集団の基盤を十分に活用しています。産総研先端ナノ計
測施設（ANCF）は産総研ナノプロセシング施設（NPF）とともに ARIM に参画し、量子・電子マテリア
ルを中心とする最先端ナノ材料のデータ取得・分析・収集に取り組みます。

Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology (ARIM) is one of the research
projects by Japan’s Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), whichstarted in FY 2021 under the 10-year-long plan. ARIM is devoted to construct and maintain state-of-theart open facilities for materials processing, measurement and analysis as well as their data collection andutilization system for public share-use, thus playing a key role in "Materials DX Platform" so as to promote
Japan's materials innovations. This project utilizes nationwide network of both R&D facilities and highly
skilled technical professionals, which was established under the Nanotechnology Platform Project. AIST
Nanocharactreization Facility (ANCF) is a member of ARIM, together with AIST Nanoprocessing Facility(NPF), for data acquisition, analysis, and collection of cutting-edge nanometer-scale materials including
quantum and electronic materials.

TIA
産総研、NIMS、筑波大学、KEK、東京大学、東北大学が協力して運営するオープンイノベーション拠点です。総合的な研究開発能力（人材、施設、知的財産等）を結集して、知の創出から産業化までを一貫して支援します。

TIA is an open innovation hub operated in cooperation with AIST, NIMS, the University of Tsukuba, KEK,
the University of Tokyo and Tohoku University. We will comprehensively bring together our R&D capabilities(human resources, facilities, intellectual property, etc.) to provide consistent support, from knowledge
creation to industrialization.

産総研

共用研究開発施設

AIST Open Research Facilities
産総研で、これまで蓄積して来たノウハウ・成果を広く社会に普及させることを目的に、幅広い分野の先端機器をノウハウ等とともに共用施設として社会に公開しています。

AIST provides access to a wide range of advanced equipment and know-how for shared use, with the aimof widely disseminating such know-how and findings that have been accumulated so far.

3

産総研 先端ナノ計測施設（ANCF）
による先端計測分析技術の開発と公開
Development and disclosure of advanced
measurement and analysis technology by AIST
Nanocharacterization Facility (ANCF)

産総研では、国内の産業力強化と新産業創出の先導や社会イノベーションへの貢献を目指して、先端計
測分析技術の開発を実施しています。これまで見えなかったものを見えるようにする計測技術を創造し、次いで、それらを各種の応用に適用して分析技術として仕上げることをミッションにしています。 これらを実現する手法として、開発した装置や技術を公開して、社会における課題の解決に挑戦しています。
産総研 先端ナノ計測施設（ANCF）では、市販装置ではない独自に開発した計測装置や技術を中心に公開しています。陽電子プローブマイクロアナライザーは、電子加速器から生成した陽電子マイクロビーム
を用いており、世界的には他にドイツに類似の装置があるだけです。また、Ｘ線吸収微細構造分析装置や走査型電子顕微鏡は、産総研が開発した超伝導検出器を搭載して既存装置を上回る分解能と感度を実現しています。過渡吸収分光装置、リアル表面プローブ顕微鏡や固体 NMR 装置でも、市販製品である基本装置を精巧に合わせ、かつ、高技能な試料調整法と解析法等を適用することで、他を凌駕する性能を実現しています。

AIST is developing advanced measurement and analysis technology with the aim of strengthening domestic
industries, leading the creation of new industries, and contributing to social innovation. Our mission is tocreate measurement technologies that make the invisible visible, and then to apply such technologies tovarious fields to refine them as formed analytical methods. To achieve this mission, we are trying to solve
problems in society by sharing the equipment and technology that we have developed.
At ANCF, we mainly offer our proprietary measuring equipment and technologies for common use that are
not commercially available. For example, one of AIST’s unique devices, the positron probe microanalyzer,
uses a positron microbeam generated from an electron accelerator; there is only one other similar device
in the world, in Germany. In addition, AIST has developed a superconducting detector for X-ray absorption
fine structure analyzers and scanning electron microscopes to achieve higher resolution and sensitivity thanexisting devices. Even with transient absorption spectroscopes, real surface probe microscopes, and solidostate NMR devices, we have achieved unsurpassed performance by precisely combining basic commerciallyavailable devices and applying highly skilled sample preparation methods and analytical methods.

4

見えなかったものを見えるようにする
より精密に計る
Making the invisible visible
Measuring more precisely

計測要素技術の開発

先端計測分析システムの開発

Development of
measurement element
technology

Development of advanced
measurement and analysis
system

新規開発

分析技術に仕上げる

New development

Completion of analytical technology

ニーズを反映した改良

分析評価
適用・応用

Improvements that reflect your needs

Analysis evaluation and application

公開利用・適用
Common use and researchsupport

大学や企業の研究開発、材料開発等を支援

Supporting academic and commercial R&D
and material development

ANCF 公開機器と分析対象
陽電子プローブマイクロアナライザー (PPMA)������������ ナノ空孔   P.6超伝導蛍光収量 X 線吸収微細構造分析装置 (SC-XAFS) � ナノ局所構造、電子状態 P.10
可視ー近赤外過渡吸収分光計測装置 (VITA) �������� 光反応ダイナミクス P.14
リアル表面プローブ顕微鏡 (RSPM) ��������������� ナノ表面構造 P.18
固体 NMR 装置 (SSNMR) ����������������� 固体材料局所構造 P.22
極端紫外光光電子分光装置 (EUPS) ��������������� ナノ表面物性 P.26
超伝導蛍光 X 線検出器付走査型電子顕微鏡 (SC-SEM)����

軽元素の状態分析 P.30

ANCF Equipment and Analysis Targets
Positron probe microanalyzer (PPMA) ��������������� nano vacancy P.6
X-ray absorption fine structure spectroscopy with a superconducting fluorescence
detector (SC-XAFS) ������������� nano local structure, electronic state P.10
Visible/near-infrared transient absorption spectrometer (VITA) �� dynamics of photo-reaction P.14
Real surface probe microscope (RSPM) ���������� nano surface structure P.18
Solid-state nuclear magnetic resonance spectrometer (SSNMR) �� local structure of solid-state materials P.22
Photoelectron spectroscopy with a pulse EUV source (EUPS) �� nano surface physical properties P.26
Superconducting scanning electron microscope (SC-SEM)��� state analysis for light elements P.30

5

ANCF001

陽電子プローブマイクロアナライザー (PPMA)PPMA は、電子線形加速器で発生させた高強度陽電子マイクロビーム（ビーム径 <100μm) を利用して、試料中の陽電子寿命のマッピング測定を行う走査型の陽電子顕微鏡です。
PPMA is a scanning positron microscope for mapping positron lifetimes in samples. The PPMA
uses an intense positron microbeam (beam diameter < 100 μm) generated by an electron linear
accelerator.

公開装置 ／ Equipment
陽電子プローブマイクロアナライザー (PPMA)
電子線形加速器で発生させた高強度陽電子ビームを短パルス化・マイクロビーム化して試料へ入射します。陽電子寿命を測定することで、試料中の原子～ナノメートルスケールの原子空

Pulsing system(chopper,pre-buncher,buncher)

孔・空隙を評価できます。

Positron Probe MicroAnalyzer (PPMA)
An intense positron beam generated by an electron linear
accelerator is formed into a series of short pulses which arefocused to micrometer size, and are then directed onto asample. The structures of atomic and nanoscale vacancytype defects and voids are evaluated by employing positronannihilation lifetime spectroscopy (PALS).
Time resolution

200 ps - 300 ps

Implantation energy

1 keV – 30 keV

Beam diameter0.01 mm – 10 mm

Pulse duration≧ 30 ns

PPMA 装置の写真
Overview of PPMA

何を測定するか/できるか？／ Applications◦薄膜、バルク、粉末体中に含まれる原子～ナノメートルスケールの原子空孔・空孔クラスターの構造を評価◦高分子材料中の自由体積評価◦原子空孔・空隙分布のマッピング測定◦Structural evaluation of atomic and nanoscale vacancy-type defects and voids in membranes, bulk and powdermaterials◦Evaluation of free volume in polymeric materials◦Mapping measurement of vacancy-type defect and void distributions
6

Positron Probe MicroAnalyzer
原理、特徴 ／ Principle and Features1◦電子の反粒子である陽電子を材料中に入射し、陽電子
あるいは内部で形成されたポジトロニウム（陽電子と電子の結合状態）の寿命を測定することで、材料中に含まれる原子空孔・空隙の構造を評価できます。
◦原 子～サブナノメートルスケールの空隙を非破壊かつ高感度（ppm）で検出できます。さらに、ビームの特徴を活かして、陽電子の注入深さ（入射エネル
ギー）を変えた測定ができます。
◦陽電子をマイクロビーム化して、試料上を走査することで、陽電子やポジトロニウム寿命のマッピング測定ができます。

陽電子消滅寿命測定の概念（結晶材料）
Schematic of positron lifetime spectroscopy (crystalline materials)◦Structures of vacancy-type defects and nano-pores can be evaluated by measuring the lifetimesof positrons or positroniums (a bound state of anelectron and a positron) in materials

Slope =
lifetime of positron/
positronium◦Non-destructive and highly sensitive (ppm) detectionof atomic and nanoscale voids. Measurement withdifferent characteristic implantation depth by varying
the positron beam energy◦2D mapping of the positron/positronium lifetime byscanning the positron microbeam on samples

陽電子消滅寿命スペクトル
Positron lifetime spectrum

陽電子マイクロビームを用いた陽電子消滅寿命マッピング測定
Positron annihilation lifetime mapping using a positron microbeam2

7計測例 ／ Examples

・高強度鋼の水素脆化と原子空孔の関連性
評価 3
陽電子マイクロプローブを用いて、高強度鋼の水素脆化と原子空孔との関連を調べました。応力を加え、水素チャージ有りの試験片では、破断面近傍で陽電子寿命が

(i)
(ii)
(iii)
Scanning range(i) non-stressed(ii) stressed(iii) stressed and hydrogen charged

長くなったことから、原子空孔や空孔クラスターが形成されていることが分かりました。

The relationship between hydrogen embrittlement anddefects in high-strength steels was investigated using
the positron probe microanalyzer. Since the positron
lifetime became longer in the vicinity of fracture surfaces
for the tensile-stressed and hydrogen-charged
specimen, it was found that vacancy-type defects anddefect clusters are formed in the specimen.

高強度鋼試験片High-strength steel specimens
300

Positron lifetime (ps)• Evaluation of relationship betweenhydrogen embrittlement and defects
in high-strength steels3(iii) ”水素チャージ” +” 応力”
による 空孔形成を確認

250

200

150

(i) と (ii)で は欠陥変化なし
100
0

5000

10000

15000

Scanning positron (mm)
陽電子寿命分布の測定結果
Result of positron lifetime distributions

Deformation

・延伸高分子の構造変化の評価 4
陽電子マイクロプローブを用いて、延伸した低密度ポリエチレン (LDPE)、高密度ポリエチレン (HDPE) の陽
電子寿命を異なる部位で測定しました。延伸によりポリエチレンの非晶領域で消滅するオルソポジトロニウム（陽電子と電子のスピンが互いに平行）の寿命が短くな
り、非晶領域の自由体積の状態が変化したことが分かりました。

ポリエチレン延伸試料
Stretched polyethylene specimen• Evaluation of structural change ofstretched polymers4
The positron lifetimes of stretched low- and high-density
polyethylenes were measured at different positions. It
was found that the lifetime of the ortho-positronium (abound state of an electron and a positron with parallel
spins), which annihilates in amorphous regions of thepolyethylene, was shortened in the stretched part.
This indicates that the state of free volumes in theamorphous region changes due to stretching.

8

延伸によるオルソポジトロニウム（o-Ps）寿命の変化（LDPE）
Variation of o-Ps lifetime upon stretching (LDPE)

・a-Si:H/c-Si ヘテロ接合太陽電池の微細構造解析 5
陽電子マイクロプローブを用いて a-Si:H 構造中の微小ボイ
ドのサイズを測定し、そのサイズと光学定数との相関を調べました。陽電子寿命から同定したボイドサイズは、成膜温度によって変化し、さらに、光学定数と相関することが分かりました。

• Structural analysis of a-Si:H/c-Si
heterojunction solar cell5
The size of micro voids in a-Si:H was measured using thepositron probe microanalyzer, and the relationship between
the void size and an optical parameter was investigated. It
was found that the void size as determined by the positron
lifetime changes depending on the film formation temperature,and that the size is correlated with the optical parameter.

a-Si:H 内ボイドサイズと光学定数の関係性
Relationship between void size in a-Si:H and
optical parameter

その他計測例／ Other examples◦フラーレン粉末体の空隙評価◦構造材料の塑性変形、疲労破壊過程における空孔形成メカニズムの解明◦逆浸透膜の空隙評価◦酸化物半導体薄膜の欠陥解析◦Evaluation of pores in fullerene powders◦Elucidation of the mechanism of formation of vacancy-type defects and voids in the plastic deformation and fatigue
fracture processes of structural materials◦Evaluation of free volumes in reverse osmosis membranes◦Defect analysis of oxide semiconductor films

参考文献／ References1

産総研 TODAY, 14-9, (2014).

2

大島永康ら，陽電子科学会会報，陽電子マイクロプローブ，1，27-39 (2013).

3

 . Doshida et al., ISIJ International, Enhanced Lattice Defect Formation Associated with Hydrogen andT
Hydrogen Embrittlement under Elastic Stress of a Tempered Martensitic Steel, 52 (2), 198-207 (2012).

4

 . Oka et al., Appl. Phys. Lett., Free volume change of elongated polyethylene films studied using aTpositron probe microanalyzer, 101, 203108 (2012).

5

 . Matsuki et al., ECS Transactions, A Novel Optical Characterization of a-Si:H/c-Si Interface
N
MicrostructuresBased on Data of Positron Annihilation Spectroscopy, 92(9), 21-24 (2019).

9ANCF002

超伝導蛍光収量Ｘ線吸収微細構造分析装置 (SC-XAFS)
放射光を光源とし、蛍光収量法によりX線吸収スペクトルを測定する装置です。微量元素の局所構造解析に利用できます。半導体検出器よりエネルギー分解能が優れている超伝導検出器を搭載していることが特徴で、100 – 1500 eV で 10 – 20 eV(FWHM) のエネルギー分解能が得られ、微量の軽元
素・遷移金属元素を分離・検出できます。

SC-XAFS can measure the nanostructure of a light element dopant in a solid sample due tothe high flux of synchrotron radiation as X-ray source and precise energy resolution of thesuperconducting detector.

公開装置 ／ Equipment
超伝導蛍光収量Ｘ線吸収微細構造分析装置 (SC-XAFS)
本装置は、高エネルギー加速器研究機構・放射光施設の軟 X 線ビームラインを光源として用い、超伝導検出器(STJ 検出器）を用いたエネルギー分散型 X 線分析（EDS）により、蛍光収量法による X 線吸収スペクトルを測定します。1

X-ray Absorption Fine
Structure Spectroscopy with aSuperconducting Fluorescence
Detector (SC-XAFS)The apparatus provides partial
fluorescence yield X-ray absorption
spectroscopy using a synchrotron lightsource and superconducting tunnel
junction X-ray spectrometer, achieving
an excellent X-ray energy resolution of
10–20 eV.1

SC-XAFS 装置の写真（KEK-PF BL-11A に設置した状態）
SC-XAFS apparatus mounted on KEK-PF BL-11A

何を測定するか/できるか？／ Applications◦微量元素の結合状態・ナノ構造（例：SiC 中の窒素 300 ppm）
◦軽元素 K 吸収端、遷移金属 L 吸収端 (100-1500 eV, エネルギー分解能◦固体試料（真空中、パウダーまたは板状 15 mm 角以下）
◦バルク材料（分析深さ 100 nm ～ 1000 nm）◦Nanostructures of trace light elements◦K-edge X-ray absorption spectrum of light elements◦L-edge X-ray absorption spectrum of transition metals◦Solid samples (powder, substrate, etc., size less than 15 mm2)
◦Information about bulk (analysis depth of 100–1000 nm)

1010-20 eV FWHM @ 1 keV)

X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy with aSuperconducting Fluorescence Detector
原理、特徴 ／ Principle and Features◦ X 線吸収分光法では、特定元素に着目して、元素周
辺のナノ構造（価数、電子状態、結合距離等）が測定できます。
◦本装置は、エネルギー可変の単色光を試料に入射し、入射光エネルギーと蛍光収量の関係を測定することにより、X 線吸収スペクトルを測定します。軟 X 線
領域では電子収量法が用いられることが一般的ですが、バックグラウンドが大きく微量元素の測定が困難です。蛍光収量法では、バックグラウンドが小さいた
め、極微量の元素でも検出可能です。ただし、微量元
素の蛍光収量を得るには、多くの元素の特性Ｘ線の中から目的の元素の蛍光収量を分離する必要があります。優れたエネルギー分解能を有する超伝導検出器を用いることで、高精度の元素の選別が可能です。
◦光源には高エネルギー加速器研究機構・放射光施設の超伝導トンネル接合検出器の顕微鏡写真

軟 X 線ビームライン BL-11A, BL-11B, BL-13A, BL-

Microphotograph of a superconducting tunnel
junction detector

16A が利用できます。
◦X-ray absorption spectroscopy provides information

about nanostructures, such as valence, electronic
state, bond length, etc., around a specific element.
◦This apparatus measures the X-ray absorption
spectrum by measuring the fluorescence yield ofa specific element as a function of incident X-ray
energy. The electron yield method is generally used
to measure the X-ray absorption spectrum in thesoft X-ray region, but it is difficult to measure thespectrum of trace elements due to high background.
Since the background is small in the fluorescence
yield method, even trace elements can be measured.
However, in order to obtain the fluorescence yieldof trace elements, it is necessary to separate thefluorescence yield of the target element from thecharacteristic X-rays of many elements. By using
a superconducting detector with excellent energy
resolution, it is possible to select elements with highaccuracy.
◦The soft X-ray beamlines BL-11A, BL-11B, BL-13A,
BL-16A of the Photon Factory of the High Energy
Accelerator Research Organization can be used as
the light source.

Sample: h-BN

Silicon drift detector

STJ detector

超伝導検出器で測定した蛍光Ｘ線スペクトルの例。参考のためシリコンドリフト検出器で測定した結果が重ねて示されている
Example of a fluorescent X-ray spectrum measured with asuperconducting detector. For reference, a fluorescent X-ray
spectrum measured by a silicon drift detector is also shown11計測例 ／ Examples

・高耐圧スイッチ材料実用化のための
SiC の特性評価 2

C-K 277 eV

して実用化が進んでおり、窒素は高温イオン注入によりドープされます。消費電力を抑制するためには低抵抗化が必要ですが、窒素を高濃度でドーピング
すると、活性化率が下がり抵抗値が高くなることが課題となっています。

Intensity [a.u.]

SiC は化合物半導体で、高耐圧のスイッチ材料と

106

N-K 392 eV
O-K 525 eV

103

イオン注入後、およびアニール後に窒素が格子のどこにあるかを明らかにするため、窒素 K α線の12eV FWHM

100

Scattered probe X-ray

蛍光収量を用いて窒素 K 吸収端の X 線吸収スペク
トルを測定しました。
シミュレーションとの比較により、ドープされた
窒素は、イオン注入直後に炭素と置換されること、アニールにより構造がほとんど変わらないことが明らかになりました。

• Evaluation of SiC characteristics
for practical use of high-voltage
switch materials 2
SiC is a compound semiconductor that is used
as a high withstand voltage switch material.
Nitrogen is doped into SiC by high-temperatureion implantation. It is necessary to reduce theresistance in order to suppress the power
consumption. However, when nitrogen is doped at
a high concentration, the activation rate decreases
and the resistance value increases.
To clarify the location of nitrogen in the lattice after
ion implantation and annealing, the fluorescence
yield X-ray absorption spectrum at the nitrogen
K-edge was measured.
Comparison with the simulation revealed thatthe doped nitrogen was replaced with carbon
immediately after ion implantation, and that thestructure was not changed by annealing.

12

Energy [eV]
超伝導検出器で測定した、窒素ドープした SiC の蛍光 X 線スペク
トル
Fluorescent X-ray spectrum of nitrogen doped SiC obtainedwith a superconducting detector. The characteristic X-ray of
N-K is clearly separated from that of C-K

measured

C-siteSi-site

高温イオン注入法により窒素をドープした
SiC のＸ線吸収スペクトル
X-ray absorption spectrum of SiC at N-K edge

・発光材料の低消費電力化を目指した GaN の測定
GaN は化合物半導体であり、発光材料として実用化が進んでいます。低消費電力化のためには Mg などのドーピングで活性化率を高めることが求められますが、ドーピングされた Mg の局所構造は、Mg-K 線に隣接する Ga-L 線の妨害により測定できませんでした。
本装置を用いて Mg がドーピングされた GaN の蛍光 X 線スペクトルを測定したところ、Ga-L 線と Mg-K 線が明瞭に区別できることがわかりました。Ga-L 線の妨害が解消されたことにより、Mg の局所構造の解明と、低消費電力化への寄与が期待されます。

GaN is a compound semiconductor that is used
as a light emitting material. In order to reduce
power consumption, it is necessary to increase
the activation ratio by doping with Mg etc., but
the local structure of the doped Mg cannot bemeasured due to the interference of the Ga-L line
adjacent to the Mg-K line.
The fluorescence X-ray spectrum of Mg-doped
GaN was measured using the apparatus, andit was found that Ga-L and Mg-K rays could beclearly distinguished. The elimination of Ga-L
line interference is expected to help elucidate
the local structure of Mg and reduce the power
consumption.

Ga Lα 1,2Ga Lβ 1
Intensity
Intensity (arb.log.)(arb. Log.)• Measurement of GaN to reduce thepower consumption of luminescentmaterials

Ga LI

Ga Lβ 3,4
Mg Kα 1,2

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

EnergyEnergy[eV](eV)Mg ドープした GaN の蛍光 X 線スペクトル
Fluorescent X-ray spectrum of Mg-doped GaN

その他計測例／ Other examples◦太陽電池材料 CIGS 中の Na の分析◦ガラスに含まれる微量元素（S, Cl 等）の分析◦マクロポーラス SiC 触媒の活性と微量窒素の化学状態の関係 3◦Analysis of Na in the solar cell material CIGS
◦Analysis of trace elements (S, Cl, etc.) contained in glass◦Effect of chemical state of trace nitrogen on macroporous SiC catalyst activity 3

参考文献／ References
1

S. Shiki, M. Ukibe, Y. Kitajima, M. Ohkubo, J. Low Temp. Phys. 167 (2012) 748–753.

2

M. Ohkubo, S. Shiki, M. Ukibe, N. Matsubayashi, Y. Kitajima, S. Nagamachi, Sci. Rep. 2, 831 (2012) .

3

Y. Maeda, Á. Muñoz-Noval, E. Suzuki, S. Kondo, A. Kitada, S. Shiki, M. Ohkubo, S. Hayakawa, K. Murase, K.
Fukami, J. Phys. Chem. C 124-20 (2020) 11032–11039

13

ANCF016

可視−近赤外過渡吸収分光計測装置 (VITA)
VITA は、可視から近赤外の波長領域に渡って、過渡吸収スペクトルおよび蛍光寿命を測定する分光装置です。
VITA is a spectrometer to measure a transient absorption spectrum and luminescence lifetime
from the visible to infrared wavelength region.

公開装置 ／ Equipment
ナノ秒 / ピコ秒可視・近赤外過渡吸収分光装置
パルスレーザーを用いたポンプ・プローブ分光法により、試料に生成する各種の励起状態や反応中間体、電荷キャリアからの過渡吸収スペクトルと強度の時間変化を検出します。
ナノ秒 / ピコ秒蛍光寿命計測装置
パルスレーザーを励起光とすることで、試料からの発

Nano/picosecond transient absorption
spectrometer
Detection of transient absorption spectra and theirtime profile of excited state, reaction intermediate, andcharge carrier produced by pulse laser irradiation
Nano/picosecond luminescence lifetime
spectrometer
Detection of luminescence spectra and lifetime bypulse laser irradiation

光スペクトルと発光強度の時間変化（発光寿命）を検出します。

ピコ秒過渡吸収分光装置

ピコ秒蛍光寿命計測装置

Ps transient absorption spectrometer

Ps luminescence lifetime spectrometer

何を測定するか/できるか？／ Applications◦液体試料や、固体試料（粉体、単結晶、薄膜、デバイスなど）が対象◦光照射で生成する電荷キャリア、励起状態や反応中間体の種類およびその時間変化を評価◦蛍光、燐光、遅延蛍光（熱活性化遅延蛍光など）の発光寿命を評価◦Liquids, particles, single crystals, thin films, devices◦Dynamics of charge carrier, excited state, and reaction intermediate◦Lifetime of fluorescence, phosphorescence and delayed fluorescence14

Visible/near-Infrared Transient Absorption Spectrometer
原理、特徴 ／ Principle, Feature◦フェムト秒やピコ秒などのパルスレーザーで試料を励起して過渡状態を形成させます。
◦反応状態の時間的な変化を検出光の吸収（または発光）量の時間変化で追跡します。
◦電荷キャリアの生成、移動、再結合、分離過程の速度や、材料の励起状態の生成および消滅速度、反応中間体の存在と状態を知ることができます。
◦Formation of the transient state of samples by irradiation with femto- or pico-second pulsed laser light◦Measurement of the time profile of absorbance or luminescence intensity of samples in the transient state◦Detection of reaction intermediate, and evaluation of rate of charge carrier generation, transport, recombinationand dissociation processes, and evaluation of generation and decay rate of excited states and species

Photodetectors∆Absorbance = -log10(I/I0)

Pump light

Dynamics of transient species

Specimens

Delay time∆Αbsorbance

Probe light0( pico to milli second )Decay
Generation
0

Delay time

過渡吸収分光法の原理説明図
Schematic diagram of transient absorption spectroscopy

Pump light

Photoluminescence

Photodetectors

Excited stateSpecimensLightemission

Photoluminescenceintensity

Time profiles of luminescence

0

Decay
Generation
0

Delay time

Ground state

蛍光寿命計測の原理説明図
Schematic diagram of photoluminescence lifetime spectroscopy

15計測例 ／ Examples

・Si 太陽電池モジュールの劣化試験前後の状態評価 1
伝導キャリアの生成量を光の吸収量の時間変化として計測しました。表面敏感な励起波長（短波長）
で計測するほど、光吸収量の減衰が認められまし

Probe
light

Excitation light
400 nm532 nm1064 nm

た。Si 太陽電池のモジュールの劣化が表面において起こっていることを確認しました。

Light intensity：
47 µJ/cm2• Deterioration test of Si solar cell 1

Si 太陽電池モジュールの計測風景
Transient absorption measurement of Si solar cell

Blue: Before aging

Red: After aging

400 nm exe.
0.1

0

0

20

40

60

∆Absorbance

0.2∆Absorbance

The amount of conduction carriers producedin Si solar cells was determined from the timedependence of light absorbance by the carriers. A
decrease of the absorbance at the surface regionof the cells after degradation was confirmed byusing surface sensitive excitation light at shorter
wavelengths. This result indicates that thedegradation of Si solar cells occurs at their surface.

801064 nm exe.

0.2

0.1

0

0

20

40

60

80

Time (µs)
Si 太陽電池モジュールの劣化試験前後の過渡吸収計測
Excitation wavelength dependence of transient absorption of Si
solar cell before and after degradation test

・有機 EL 材料の励起状態ダイナミクスの評価 2
次世代有機 EL 発光材料として知られる熱活性化遅延蛍光 (TADF) 材料において、高効率な材料には近赤外波長領域に吸収がある特徴的な励起状態が形成されることが分かりました。この情報により、高効率 TADF 材料の発光メ
カニズムが明らかになりました。

• Revealing the excited-state dynamics of organic electroluminescent materials 2
Highly efficient thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials form specific species in the excitedstate. Based on this information, a new mechanism of TADF is proposed.
∆AbsorbanceTime (μs)

Charge resonant state

Wavelength (nm)
高効率 TADF 材料の過渡吸収スペクトルの等高線図（左）と得られた新しい TADF 発光機構の模式図（右）Transient absorption spectral map of highly efficient TADF molecule (left) and new TADF mechanism (right)

16

・室温燐光材料の発光ダイナミクスの評価 3
室温燐光材料の発光特性を蛍光寿命装置を用いて評価しました。下図の 3 種類の室温燐光材料のうち、1 のモノ
ベンジル誘導体が最も長い寿命と強い室温燐光を示すことが分かりました。

• Photoluminescence dynamics of room-temperature phosphorescent materials 3
The photophysical properties of room-temperature phosphorescent (RTP) materials were investigated using afluorescence lifetime spectrometer. For three kinds of benzil derivatives, mono benzil derivative 1 was revealed to
exhibit the most efficient RTP.

室温燐光材料の化学構造式（左）と室温燐光の時間プロファイル（右）Room-temperature phosphorescent materials (left) and their luminescence time profiles (right)

その他計測例／ Other examples
ナノ粒子、ペロブスカイト太陽電池、光触媒材料、酸化物半導体、光ファイバー材料、ナノ炭素材料、
光感光性材料、円偏光材料、金属錯体化合物、細胞、蛋白分子、生体プローブ蛍光分子、等

Nanoparticles, perovskite materials, photocatalysts, metal-oxide semiconductors, optical light fiber materials,
nanocarbon materials, photosensitive materials, circular polarization materials, organometallic materials, cells,
proteins, fluorescence probe materials

参考文献／ References
1

K. Hara, H. Matsuzaki, et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 166, 132 (2017)2

T. Hosokai, H. Matsuzaki, et al., Science Advances 3, e1603282 (2017)

3

K. Maduwantha, T. Hosokai, et al., Materials, 13, 3904 (2020)17

ANCF017

リアル表面プローブ顕微鏡 (RSPM)
走査型プローブ顕微鏡（SPM）用の標準試料やカンチレバー校正機器（ばね定数や探針先端）を有する、
実環境（液中や真空等）対応のナノプローブ装置です。各種ナノ物性測定（赤外分光、電位、弾性率等）に対応しています。付帯設備として、SPM に最適化した試料調整装置を有しています。
Scanning probe microscope system with calibration system and sample preparation facility,
such as reference material, laser interferometer and etc. The system includes functions, such as
KPFM, elastic modulus, spectroscopic images in various environment (in air, in vacuum, and inliquid).

公開装置 ／ Equipment
RSPM 1
高分解近接場顕微鏡装置を利用して、10nm 分解能の赤外分光 (FTIR) 測定が行える SPM 装置です。ナノフーリ
エ分光測定では、700 ～ 3800 cm-1 の波数に対応しています。
RSPM 2
実環境（大気、高真空、ガス雰囲気、溶液中）で、形状とナノ物性測定（弾性率・表面電位・誘電率等）が可能な走査型プローブ顕微鏡装置です。溶液中では高速走査が可能です。

RSPM 1High resolution nearfield scanning optical
microscope. The optical resolution is 10nm
in FTIR mode.
RSPM 2
Scanning probe microscope(SPM) system
for nano material characterization (KPFM,
SNDM, elastic modulus, and spectroscopic
images) in various environment, such as inair, in liquid, and in vacuum.
RSPM2 の写真
Photograph of RSPM2

何を測定するか/できるか？／ Applications◦表面ナノ形状（探針形状測定用プログラム有）◦弾性率（ドップラー干渉計によるばね定数校正有）◦ナノスケール表面電位・静電容量◦表面電流・広がり抵抗測定◦溶液中の反応計測機能（毎秒 1 ～ 10 画像取得可能）◦断面作成や表面処理のための付帯設備有◦High resolution surface morphology measurement with probe calibration system.
◦Elastic modulus measurement for compliant- (DMT or JKR) and stiff materials.
◦Electrical SPM, such as KPFM, SCM, SNDM, SSRM, and C-AFM.
◦Fast scanning system is available in liquid environment (10 flames/second).
◦Surface preparation system is available such as ion beam polisher, plasma cleaning equipment, laser marking

system.

18

Real Surface Probe Microscope
原理、特徴 ／ Principle and Features◦ナノ計測機器校正用に開発した標準試料や校正機器の付帯設備を有する実環境対応のナノプローブ装置です。溶液中での高速走査やカンチレバーのレーザー励起機能（正確な位相像の計測）も有しています。
◦標準試料：探針形状評価、半導体キャリア濃度
各種分光測定校正用標準試料◦校正機器：カ ンチレバーのばね定数校正（真空レーザー
ドップラー干渉計）、SEM（探針の 3 次元形状）◦付帯設備：研磨装置、断面作成用イオンミリング装置、
表面（プラズマ）クリーニング装置、
レーザーマーキング装置◦RSPM is a scanning probe microscope with facilities forcharacterizing nano-materials in various environments
such as air, liquid, and vacuum. Fast scanning in liquids
is possible. The dynamic mode with laser excitation
system produces accurate phase images.
◦Reference materials

レーザー干渉計によるカンチレバーばね定数測定
Laser interferometer system for determining cantilever
spring constant* Probe shape (probe shank or 3D shape)* Reference samples for carrier concentration* Resolution test sample for various imaging techniques◦Calibration system*Laser doppler interferometer for calibrating normal
spring constant of a cantilever   * SEM for probe shape

半導体のキャリア濃度校正用サンプルの例
Reference material for calibrating carrier concentration insilicon◦Sample preparation devices* Mechanical polishing machine* Ion milling equipment for preparing cross-sections ofthin samples* Laser marking system for aligning the field of view
* Plasma surface cleaning system (Ar, O, N)

プラズマクリーニング装置
Plasma cleaning system for SPM

19

計測例 ／ Examples

・レジスト現像過程
現象過程でのパターン倒れの原因等を探るた
めに、半導体のリソグラフィーで使用するレジ
ストの現像過程を溶液中でその場観察しました。右図は、電子ビーム露光されたレジストに現像液を潅流し、50 nm クラスのパターンが現像されていく様子を 10 秒の時間間隔で、リアルタイム観察した画像データです。左上から右下に向けて、パターンの現像が進行している
ことが分かります。

• Developing process ofphotoresist

半導体レジストの現像過程のその場観察（現像溶液中）
Real-time observation of developing process of photoresist

The developing process of photoresist on Si substrate was observed in a liquid. The origin of defects in theelectron beam lithography process was studied with a high-speed scanning system. Real-time AFM images wereobtained every ten seconds in the developer solution. The photoresist, which is designed as a 50-nm line, wasclearly observed as shown in the figures.

・微粒子の剥離力評価

Removal force on Si substrate (nN)

Force when the poly-Si pattern collapsed

Particle diameter (nm)

半導体基板上の微粒子の剥離力測定の例（粒径依存性、パターンが倒れる力との比較）
Measurement of removal force of nano-particles with scanning probe microscope

半導体表面上の汚染物質除去のための基礎データとして、微粒子の剥離力測定を行いました 2。探針を利用して、30 ～ 300 nm の粒子を剥離させるために必要な力を測定し、ポリシリコンパターンが倒壊する力との比較を行いました。

• Removal force of nano-particles on Si substrate
The removal force of nano-particles on Si substrate was measured with a scanning probe microscope. Forces
required to remove particles and nano-patterns were compared. The results will be useful for developing cleaning
equipment for semiconductor factories.

20その他計測例／ Other examples◦ナノ材料形態の計測（右図の CNT）

CNT

◦生体材料 DNA の溶液中での観察◦表面電位、デバイスのキャリア濃度計測◦探針接触を利用したデバイス計測◦高電圧（～ 200 V）表面電位計測

DNA◦オペランド計測（KPFM、Phase image）（左）CNT や DNA の高分解能原子間力顕微鏡画像（右）デバイス構造（市販テストサンプル）の局所電気計測（20 µm × 20 µm ）(Left) High resolution AFM images of CNT and DNA(Right) Local electric-property measurement of semiconductor devices◦Surface morphology measurement of nano-materials such as CNT and DNA◦DNA or large molecules can be observed in liquid◦Surface potential and carrier concentration in silicon can be observed with KPFM, SCM and SSRM
◦Nano-device measurement in contact mode (current, thermal property) is possible◦High-voltage surface charge can be measured with KPFM
◦Nano-devices can be measured while in operation with a device analyzer

参考文献／ References
1

M. Watanabe, T. Morimoto, H. Itoh, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 11(1), 011009 (Jan–Mar 2012)2https://www.nanonet.go.jp/magazine/archive/?page=1315

21

ANCF018

固体 NMR 装置 (SSNMR)
固体試料を対象とし、原子が持つ核スピンをプローブとして、局所構造およびダイナミクスを原子・分子レベルで測定する装置です。
SSNMR is used to measure the local structure and motion of atoms and molecules in solidmaterials by using atomic nuclear spin as a probe.

公開装置 ／ Equipment
固体 NMR 装置（600 MHz）
超伝導電磁石Superconducting magnet (SCM)

ワイドボア超伝導磁石タイプ、固体高分解能測定、多核種対応（１H ～ 109Ag）、二次元にも対応
固体 NMR 装置（200 MHz）

サンプル管
Sample tube

ワ イ ド ボ ア 超 伝 導 磁 石 タ イ プ、 固 体 高 分 解 能、二次元にも測 定、 多 核 種 対 応（ １ H ～ 15N）
対応
固体 NMR 装置（20 MHz）
永久磁石卓上型、緩和時間測定、拡散係数測定、
H 専用

1Equipment 1
Solid-state NMR (600 MHz) for 1H–109Ag, Widebore SCM type, 1D and 2D experiments

検出器/Detector
ラジオ波照射＆信号検出
RF irradiation and signal
detection

Equipment 2
Solid-state NMR (200 MHz) for 1H–15N, Widebore SCM type, 1D and 2D experiments

分光計本体/Spectrometer
ラジオ波送受信RF transmission and reception

固体 NMR 装置（600 MHz）説明写真
Overview of SSNMR equipment (600 MHz)

Equipment 3
Solid-state NMR (20 MHz) for 1H only, Permanent magnet type, relaxation time measurement

何を測定するか/できるか？／ Applications◦固体試料を高速回転（0 ～ 60,000 回転 /sec）させて高分解能 NMR 測定ができます。
◦溶媒に溶かすと構造変化する物質 ( 高分子・ゴム・蛋白質 etc.) でも、そのままの状態で分析できます。
◦気体・固体・半固体試料の分子結合状態を解析できます。
◦Detects solid-state nuclear magnetic resonance with high resolution by circulating a solid sample at high speed(0–60 kHz).
◦Used for in-situ measurement of materials (polymer, rubber, protein) whose structures can change when solved

into a solvent.
◦Analyzes the molecular bonding state of gaseous, solid, and semi-solid samples.

22

Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectrometer
原理、特徴 ／ Principle and Features◦核スピンをもつ物質に磁場中でラジオ波を照射すると、ラジオ波の吸収が起こります。この現象を利用して固体中における原子や分子の構造や運動を調べることができます。
測定核スピン周辺の平均的エネルギー（化学シフト）を測定して、分子・原子周辺の結合状態を解析します。また、スペクトルの形や緩和時間測定から、物質のダイナミクスを評価します。
◦固体のまま測定して材料のナノレベルの構造を評価できます。 固体内の原子、イオン、分子の運動を非破壊・非接触で観察できます。
◦Materials that possess nuclear spins in a strong magnetic

field absorb radio-frequency (RF) waves. By using thisphenomenon, it is possible to observe the spectrum in
the RF region and analyze the averaged energy (chemical
shifts) around nuclear spins.

マジック角での回転により、双極子 - 双極子相互作用などの、核が固定されていることによる NMR 共鳴線の広幅化の原因が取り除かれ、先鋭なスペクトルを得られます。
Magic Angle Spinning takes an average of phenomena suchas dipole-dipole interactions, so a narrower spectrum willappear.

◦The solid-state NMR method can analyze the nanoscale structure of solid-state samples. It observes the

dynamics of atoms, ions and molecules in a non-invasive, non-contact manner in the solid state.

NMR spectra: 958
NMR parameter: 418

高分解能固体 NMR の実験では、専用の小さなジルコニア製の試料管を使用します。最大回転数は、試料管の外径によって決まります。
In high-resolution solid-state NMR experiments, a special
small sample tube (ZrO2) is used, and the maximum sample
rotation speed depends on the diameter of the tube selected.

固体 NMR スペクトルデータベースにて公開中の核種一覧産総研
で測定した、固体試料の多核 NMR スペクトルを収録しています。
A table of nuclides in "Solid-State NMR Spectral Database". It
contains multi-nuclear NMR spectra of solid samples measured
in AIST.

固体 NMR の特徴 /Features of SSNMR◦ NMR 核種の存在を直接測定できます。

◦非破壊計測です。

◦原理的には感度が低いが、高磁場化により高感度化を達成しています。
◦磁性体を含む試料の測定は、やや難しいです。
◦Direct detection of the existence of the NMR active nucleus◦Non-invasive method for all materials◦In principle, NMR is not a sensitive method, but high sensitivity is achieved by applying a strong magnetic field.
◦It is difficult to conduct NMR experiments for magnetic samples.

23計測例 ／ Examples

・発光性分子の構造解析（13C CP/MAS NMR)
右図の有機ジシラン化合物が固体状態で発光を示すとともに溶液中で様々なコン
フォメーションを取ることがわかりました。固体におけるコンフォメーション変化を調べるため、13C 固体高分解能 NMR スペクトルを測定しました。測定周波数は 150.97 MHz です。外径 4 mm のジルコニアローターを用い、マジック角回転（MAS）速度を 8 kHz としました。パルス系列は、クロスポーラリゼーション（CP）
法を用いました。
図に、13C CP/MAS NMR スペクトルのメチル基の部分の温度変化を示します。等
強度の４本の線が観測されました。向きの異なる２種類のメチル基が存在し、２つの

323 K
310 K

チオフェン環の向きによって２種類の立体異性体が有り、運動がない時は４本の共鳴線が観測されます。本結果は、固体中ではコンフォメーション変化が起きていないこ300 Kとを示しています。
利用装置： 固体 NMR 装置（600 MHz）
（SSNMR）• Structure of light emitting materials (13C)
Organic di-silane molecules are synthesized, and show a light emitting property andtake various molecular conformations in the solution state. We have investigatedmolecular conformations in the solid state using solid-state NMR measurements.
13
C CP/MAS NMR was performed at 150.97 MHz using a 4 mm sample tube and
8 kHz rotation speed.
The figure shows the molecular structure of an organic di-silane compound and thetemperature dependence and part of the 13C SSNMR spectrum. This shows that noconformation change occurs in solid-state samples.

有機ジシラン化合物の分子構造と 13C CP/MAS NMR スペ
クトルの一部
Molecular structure of organic
di-silane compound and partof the 13C SSNMR spectrum

・触媒の酸塩基特性評価（31P MAS NMR）
六方晶窒化ホウ素（BN）はボールミル処理することで、ニトロアルドー
ル反応やクネーベナゲル縮合反応に活性を示します。表面に塩基性プロ－
ブ分子、トリメチルホスフィンオキシド（TMPO）を吸着させ、31P MAS
NMR スペクトルを測定して酸性質を調べました。測定周波数は、161.98
MHz であり、室温で測定した。試料を外径 4 mm のジルコニアローターに充塡し、8 kHz で回転させました。パルス系列はシングルパルスに、1H 双極子デカップリングを併用しました。
図に、31P MAS NMR スペクトルを示します。63 ppm と 43 ppm にシグナルが観測され、化学シフト値から、後者は物理吸着した TMPO、前者は酸点に吸着した TMPO と帰属されます。
利用装置： 固体 NMR 装置（600 MHz）
（SSNMR）• Acid-base property of BN catalyst (31P)

TMPO を導入した、ボールミル処理後のBN の 31P MAS NMR スペクトルP MAS NMR spectrum of BN with TMPO
after ball-milling process

31

Hexagonal boron nitride (BN) exhibits nitro-aldol reaction and Knoevenagel condensation reaction activity after
the ball-milling process. Absorbing basic probe molecules, trimethylphosphineoxide (TMPO), 31P MAS NMR was
performed at 161.98 MHz using a 4 mm sample tube and 8 kHz rotation speed.
The figure shows the 31P MAS NMR spectrum: 63 ppm and 43 ppm signals were observed. The 43 ppm signal
is assigned to physiosorbed TMPO and the 63 ppm signal is assigned to adsorption on acidic sites, based on
chemical shift values.

24・有機・無機ハイブリッド材料の表面解析
シリカ粒子上に導電性高分子をグラフト化した複合材料を開発します。
粒子表面へのグラフト密度、グラフト鎖長は得られる複合粒子の特性に影響を与えるため、その制御と、開始剤の導入の確認する。また、ヒドロキ
シ基が残存することにより、グリニヤール化モノマーの失活が懸念される
ため、その確認も行います。
図に 13C CP/MAS NMR の結果を示します。SiPs において、粒子表面に TEOS に起因するエトキシ基のピークが 19 ppm と 59 ppm に確認された。SiPs-initiator において、ベンゼン環に起因するピークが 131
ppm と 135 ppm に観測され、重合開始基とブロモが結合した炭素のピークも 124 ppm に確認されたため、重合開始基の導入を確認しまし
た。SiPs-initiator-HMDS において、HMDS のトリメチルシランに起因するピークを確認しました。ヒドロキシル基のキャッピングがされているのがわかります。
利用装置： 固体 NMR 装置（600 MHz）
（SSNMR）

シリカ粒子、重合開始剤を導入したシリカ粒
子、開始剤導入後に残存するヒドロキシ基を保護したもの 13C 固体 NMR
C CP/MAS NMR spectra of SiPs,
SiPs-initiator and SiPs-initiator-HMDS

13• Organic-inorganic hybrid materials (13C)

The development of grafted silica particles of electrically conductive polymers was investigated. The figure shows
the solid-state 13C CP/MAS NMR spectrum of silica particles in preparing grafted silica particle components, SiPs,
SiPs-initiator and SiPs-initiator-HMDS. Capping of -OH was achieved by replacing -HMDS residue.

その他計測例／ Other examples◦金属水素化物の構造解析評価、水素貯蔵材料における水素のサイトと拡散挙動◦無機有機ハイブリッド材料における界面の構造、可逆的な溶解固化反応の構造変化を測定◦電池材料の伝導メカニズムを評価、イオン伝導材料におけるイオン拡散とそのメカニズム◦食肉の固体脂含量を評価◦Structural analysis of metal hydrate, hydrogen sites and the diffusion process in hydrogen storage materials◦Interfacial structure and change of structure in the reversible melt-solidification reaction in inorganic and organic

hybrid materials◦Mechanisms of conduction of batteries, ionic diffusion, and ion conducting materials◦Quantification of solid fat included in meats

参考文献／ References
固体 NMR スペクトルデータベース（無料公開中） https://ssnmr-sd.db.aist.go.jp/SSNMR/Top.php

25

ANCF014

極端紫外光光電子分光装置 (EUPS)EUPS は産総研で原理を考案し実用化した世界で唯一の装置です 1。レーザー生成プラズマから出る
パルス EUV 光（255.17 eV、パルス幅 3 nsec）で励起し飛行時間法で電子分光し、表面の電子状態を分析します。
（この装置は産総研独自事業のみでの公開となります。
）
EUPS is a photoelectron spectroscopy system, in which an EUV pulse (255.17 eV, 3-ns
duration) emitted from a laser-produced plasma excites a sample and the energy spectrum ofelectrons is analyzed with a time-of-flight (TOF) analyzer. The principle of EUPS was invented
and many technologies for implementing the EUPS were developed at AIST.1 (This equipment
is publicly open only under AIST-self-sponsored project. )公開装置 ／ Equipment
極端紫外光光電子分光装置（EUPS)
高出力短パルスレーザーを BN 丸棒ターゲットに照射し、生成したプラズマからのホウ素イオンの輝線（255.17 eV）
を楕円鏡で試料上に集光します。試料から放出される電子を飛行菅で遅延させ、電子の到達時間を運動エネルギーに変換してエルギースペクトルを得ます。

Electron

Photoelectron Spectroscopy with a Pulsed EUV Source (EUPS)

A high-power short-pulse laser is focused on a BN roundbar target to generate a high-temperature plasma. The
emission line at 255.17 eV from boron ions in the plasma
is focused on a sample with an elliptical mirror. The electrons emitted from the sample
travel in a flight tube, and the time taken to arrive at an electron detector is converted
into kinetic energy to obtain the energy spectrum.
試料ホルダー
４試料（10 mm x 3 mm）を載せることが可能粉末試料の測定も可能
単一試料は最大 20 mmx20 mm
室温から 400 ℃までの温度依存測定可能。前処理として、スパッタリング、ガス雰囲気

EUPS システムの全景
Overview of the EUPS
systemSample holder
4 samples (10 mm × 3 mm) can be loaded. Powder
samples can be measured. Maximum size of sample:
20 mm × 20 mm. Temperature dependence from RT
to 400 °C. Pre-treatment: sputtering, heating up to
1,000 °C in gas atmosphere

中の 1,000 ℃加熱が可能。

何を測定するか/できるか？／ Applications◦粉体含む固体試料の最表面原子層（0.5 nm 程度）の電子状態を分析◦ナノ薄膜への下層中の元素の拡散の評価◦絶縁薄膜、有機薄膜を帯電させることなく測定可能◦酸素空孔の評価◦半導体のバンド曲がりを評価◦二次電子スペクトルを使って、絶縁物の仕事関数、粉末試料の導電率、電子のエネルギー緩和速度、電荷捕
獲中心の量を評価◦Analysis of the electronic states of the outermost◦Evaluation of oxygen vacancies◦Evaluation of the band bending of semiconductors◦Evaluation of the work function of insulators, theatomic layer (about 0.5 nm) of a solid sample
including a powder sample◦Evaluation of the diffusion of elements from the lower
layer to a nanometer-thin film
◦Measurement of insulating and organic thin films
while suppressing charging
26

conductivity of powder samples, the electron energy
relaxation time, and the amount of charge trap
centers using a secondary electron spectrum

Photoelectron Spectroscopy with a Pulsed EUV Source

Electron mean free path (nm)原理、特徴 ／ Principle and Features

Elementchemical state

From
Ni/C multilayer

光電子分光法の原理

Electron energy (eV)
電子のエネルギーと平均自由行程の関係

Schematic diagram of photoelectron spectroscopy

Relation of electron mean free path and electron energy

光励起放出の電子のエネルギースペクトルを得る光電子分光法は、表面の電子状態情報を与えます。
◦ EUPS では、励起光の光子エネルギーが 250 eV で光電子の運動エネルギーが、電子の脱出深度が最も浅い

0.5 nm の領域になりますので、１原子層以下の不純物が検出できます。
◦パルス光源を活かして飛行時間法（TOF 法）で電子のエネルギー分光を行います。全エネルギー領域の電子が同時に測定できるため、少ない照射数で広いエネルギー領域のスペクトルが得られます。
◦上記特長により、帯電が抑制できるため、絶縁物の測定が可能です。
◦光源の輝度が極めて高く瞬時の光子密度が非常に高いので、超薄膜の抵抗が評価でき、また、励起光強度依存からバンド曲がりや、ミリ秒以下の寿命の電荷捕獲中心が評価できます。

Photoelectron spectroscopy, which obtains the energy spectrum of photo-emitted electrons, provides informationon the electronic states of the surface.
◦ In EUPS, the photon energy of the excitation light is 250 eV and the kinetic energy of the photoelectrons is in
the energy region where the electron escape depth is the shallowest at 0.5 nm, so it has ultra-high sensitivity
for detecting impurities of one atomic layer or less.
◦ Utilizing the pulse nature of the light source, the electron energy is analyzed by the time-of-flight (TOF) method.
Since electrons in the entire energy region are measured at the same time, a wide spectrum can be obtainedwith a small number of irradiations.
◦ Thanks to this feature, the charging of insulators is minimized, and so the work function of insulators can bemeasured.
◦ Since the brightness of the light source is extremely high and the instantaneous photon density on the surface
is very high, the resistance of an ultra-thin film can be evaluated. Band bending and charge trap centers having
a lifetime of milliseconds or less can also be evaluated from the dependence of the electron spectrum on the
excitation intensity.
100m

1

laser

Si2p

Intensity

Electrons

Signal (mV)

0

-100m

Mesh
GroundSample0.1

valence

Valencevalence

Si2p
-200m
0

50n

100n
Time (sec)

150n

200n

0.01

20

40

60 80 100 120 140 160
Kineticenergy
Energy(eV)(eV)
Kinetic

飛行菅

飛行時間スペクトル

エネルギースペクトルTOF tube

TOF spectrum

Energy spectrum27計測例 ／ Examples

・二次電子スペクトルの利用／ Analyses using a secondary electron spectrum
TOF では１ショットで広いエネルギー領域のスペクトルが得られます。

10000

In TOF, a spectrum in a wide energy region is obtained with only oneshot EUV irradiation.

Porous TiO2

Signalintensity
SignalIntenity

1000

基板のオゾン洗浄による TiO2 ナノ粒子の物性変化の検出／

Detection of changes of the properties of TiO2 nanocrystals byozone cleaning of the Si substrate
試料：Si 基板をオゾン洗浄した場合と酸洗浄をした場合のポーラス TiO2

secondary
Secondaryelectronelectron

100
Photoelectron
photoelectron

5300*(x-2.35)/

10((x-2.35)+0.6)^3

1

および緻密 TiO2 層の４種類

Ozone cleaning
No Ozone
ozone
no

10
Kinetic Energy (eV)

4 samples: Porous and compact TiO2 with and without ozone cleaningof the Si substrate

100・ 電荷捕獲中心量への影響／ Effect to the density of charge traps
左図：励起 EUV 強度を大きくすると、二次電子スペクトルが低エネルギーにシフトしました。
右図：縦軸がスペクトルのシフト量。横軸がピークでの信号強度です。
右図の勾配から抵抗が求まります。低強度での級数飽和の大きさから、電荷捕獲中心の量が求まります。
ポーラス TiO2 では、抵抗が大きいこと、オゾン洗浄で電荷捕獲中心が 1/3.5 に減ることが分かりました。

The shift of the cut-off position, as seen in the left figure, gives:a) the resistivity of a sample from the slope, and b) the density of charge trap centers from the rapid saturation at
low intensity. The right figure shows that, in nano-porous TiO2, the number of charge trap centers was reduced byozone cleaning.
0.1

0.1

compact TiO2

compact TiO2

Signal Intensity

10

1
4.5

porous TiO
porousTiO22

Shift of cut-off (eV)Sihift of Cut-off (eV)

100

0.05
0.05

0.037*x/6000
0.037*x/6000-0.027*exp(-x/500)+0.025*exp(-x/500)+0.025-0.027

6*exp(-x/600)+0.006-0.008*exp(-x/600)+0.006-0.00800

50
50
Signal intensity
intensity
Signal・励起電子の寿命への影響／ Effect to lifetime of excited electrons
緩和時間が長いとカットオフ近傍の波形が大きく鋭くなります。ポー
減ったことが分かりました。

The spectral shape near the cut-off reflects the energy relaxation
time of excited electrons. In porous TiO2, ozone cleaning increased
the lifetime, indicating that the density of defects was reduced.

Porous TiO2
Ozone cleaningno
NoOzone
ozone

3000

Intensity

ラス TiO2 で、オゾン洗浄すると、電子寿命が短くなったので欠陥が

100
100

4000

カットオフ近傍の波形は励起電子の寿命を反映します。エネルギー

28

Ozone
Ozone
cleaning
cleaning

0.037*x/6000
0.037*x/6000

00

5
5.5
Kinetic Energy(eV)

No
Ozone
no Ozone5300*(x-2.35)/((x-2.35)+0.45)^3

2000
1000
0

5300*(x-2.35)/((x-2.35)+0.6)^3
2

2.5

3
3.5
4
Kinetic energy (eV)4.55・表面超高感度性の利用／ Applications using high surface sensitivity
プラズマディスプレイ用電極保護絶縁膜の評価

CarbonEvaluation of contamination on a protectiveoxide for a plasma display
EUPS は、光電子の脱出深さが 0.5 nm 程度である
ため、サブ単原子層の付着物が検出できます。通常のXPS では測定困難だったごく微量汚染物が EUPS で検出でき、汚染源の特定に結び付き、プラズマディス
プレイ用電極保護絶縁膜の製造プロセスが改良できました。

Sub-monolayer organic molecule on MgOEUPS has high surface sensitivity for detecting
sub-mono atomic-layer contamination owing to asmall photoelectron escape depth of about 0.5 nm.
Detection by EUPS of a very small amount ofcontaminants on a protective oxide of a plasma
display panel, which was difficult to measurewith ordinary XPS, led to identification of thecontamination source, and the manufacturing
process was improved.

O2p
MgO
O2s
Binding Energy (eV)
Removal of contamination on MgO by heating

その他計測例／ Other examples◦ Si ウエハーのバンド曲がりを測定しました。
◦ガラス、アルミナなど絶縁材料の仕事関数の温度依存を測定しました。
◦ TaN, W ナノ薄膜中に Si は拡散しないが TiN には大量に拡散すること、TiN への Hf の拡散が O または Al の添加で大きく変わること等を見出しました。
◦排気ガス浄化粉末触媒の導電率が大きくなる温度と触媒活性が高くなる温度が一致することを見出しました。
◦粉末触媒表面の電子雲の傾斜角が触媒活性と相関があることを見出しました。
◦Band bending of Si wafer was measured.
◦Temperature dependence of the work function of insulating materials such as glass and alumina was measured.
◦It was found that Si does not diffuse into TaN and W nano-thin films, but diffuses in large amounts in TiN, andthat the diffusion of Hf in TiN changes significantly with the addition of O or Al.
◦It was found that the temperature at which the conductivity of the exhaust gas purification powder catalyst

increases coincides with the temperature at which the catalytic activity increases.
◦Correlation between the inclination angle of the electron cloud on the surface of the powder catalyst and thecatalytic activity was measured.

参考文献／ References
 表面原子層を分析する光電子分光装置 EUPS の開発
最—レーザー生成プラズマ光源の実用化技術開発と EUPS が見せる材料最表面の魅力—

１

Development of EUPS for analyzing electronic states of topmost atomic layer―Materialization of laser-produced plasma source application and EUPS observed fascinating surface―https://www.aist.go.jp/pdf/aist_j/synthesiology/vol09_04/vol09_04_p216_p234.pdf

1

29

ANCF015

超伝導蛍光 X 線検出器付走査型 電子顕微鏡 (SC-SEM)
超伝導蛍光 X 線検出器付走査型電子顕微鏡 (SC-SEM) は半導体 X 線検出器の高スループット（10-3Sr）と波長分散型 X 線検出器の高エネルギー分解能（<10 eV）を両立する超伝導トンネル接合 X
線検出器を搭載した SEM-EDX 分析装置です。SEM で試料表面を観察しながら、その表面の任意の場所で発生する X 線を高感度で測定することにより、元素分析を行うことができる装置です。

Scanning electron microscope with a superconducting tunnel junction X-ray detector (SCSEM) is a SEM-EDX analyzer utilizing the superconducting X-ray detector which is realized ahigh throughput (10-3 Sr) of semiconductor X-ray detectors and a high energy resolution (<10eV) of wave-dispersive X-ray detectors (WDS). The SC-SEM is suitable to obtain spatial
information on the elemental composition of a sample nondestructively.

公開装置 ／ Equipment
超伝導蛍光 X 線検出器付走査型電子顕微鏡(SC-SEM)◦ X 線検出器：超伝導トンネル X 線検出
器 + ポリキャピラリー X 線集光レンズ◦ SEM：JSM-IT800SHLs（JEOL）

Scanning Electron Microscope witha Superconducting tunnel junction
X-ray detector(SC-SEM)◦X-ray detector: Superconducting tunnel
junction X-ray detector + Polycapillary
X-ray lens
◦SEM: JSM-IT800SHLs (JEOL)
SC-SEM 装置説明写真
Picture of SC-SEM equipment

何を測定するか/できるか？／ Applications◦パワー半導体、構造材料などに含まれる 100 ppm 以上の微量軽元素分析◦リチウム (Li) の 2 次元分布分析◦鉄 (Fe) や銅 (Cu) などの遷移金属の酸化状態分析◦ nm スケールでの元素分析◦Trace light element analysis in semiconductor materials and structural materials◦2D mapping of lithium (Li)
◦Oxidation state analysis of transition metals such as iron (Fe) and copper (Cu)◦Nanometer scaled elemental mapping30

Scanning Electron Microscope with aSuperconducting tunnel junction X-ray detector
原理、特徴 ／ Principle and Features◦搭載しているエネルギー分散超伝導検出器は半導体 X 線検出器に匹敵するスループットと波長分散型検出器と同等のエネルギー分解能を実現しているため、軽元素の K 線や重い元素の L, M 線の X 線を明瞭分離し、元素分析を行うことができます。また、低エネルギー X 線に高い感度を持ち、リチウム (Li) の特性 X 線を検出することが可能です。波長分散型検出器で行うような化学状態分析を高空間分解能で行うことが可能です。公開装置は、世界的にも本装置のみです。
◦ X 線検出部性能・蛍光 X 線エネルギー範囲：50 eV - 4 keV・エネルギー分解能：約 7 eV@400 eV X-ray
・計数率：200 kcps
◦走査型電子顕微鏡：JSM-IT800SHLs（JEOL）
・加速電圧範囲：10 V - 30 kV
・電子ビームサイズ（最適値）：0.6 nm at 15 kV, 1.1 nm at 1 kV.
・最大サンプルサイズ：100 mm（直径）◦Energy dispersive X-ray detector based on the STJs exhibits both the high throughputs of semiconductor X-ray

detectors and the high energy resolution of wavelength-dispersive X-ray spectrometers (WDSs). The STJ X-ray
detector can clearly distinguish the K-lines of the light elements from the L- and M-lines of various elements andcan detect Li-Kα (54 eV) due to the high sensitivity for low energy.
◦X-ray Detection Performances
・X-ray detection energy range: 50 eV - 4 keV・Energy resolution: approximately 7 eV at 400 eV X-ray
・Maximum counting rate: 200 kcps
◦Scanning electron microscope: JSM-IT800SHLs (JEOL)・Accelerating voltage range: 10 V - 30 kV・Electron beam spot size: 0.6 nm at 15 kV, 1.1 nm at 1 kV.
・Maximum sample size: 100 mm (diameter)

窒素 Kα線のエネルギースペクトル 1

樹脂材料を分析した際のエネルギースペクトル 2

Energy spectra in the vicinity of the N-Kα peak acquired
using the STJ detector (red solid), SDD (green dots), and
WDS (blue dashes).

Energy spectra for PPS acquired using the STJ detector (red line) andSi(Li)-SSD (blue line).

31計測例 ／ Examples

・窒化ホウ素（BN）の元素分析 1
窒化ホウ素（BN）のパウダーを分析した際のスペクトル（図）。通常の半導体 X 線検出器より 10 倍程度高いエ
ネルギー分解能を持つ X 線検出器であるため、軽元素のホウ素、炭素、窒素、酸素の特性 X 線を明瞭に分離できます。

• Elemental analysis of boron nitride (BN)1
X-ray spectrum acquired by using the SC-SEM for a BN
powder is displayed in the figure. Separate B-Kα (188eV), C-Kα (277 eV), N-Kα (393 eV), and O-Kα (525 eV)peaks can be clearly observed due to the high energy
resolution. The C-Kα and O-Kα peaks originated fromcarbon compound materials and an oxidized layer on thesurface of the BN, respectively.

窒化ホウ素の X 線スペクトル
X-ray spectrum for pure BN.

・フッ化リチウム（LiF）の元素分析 3
フッ化リチウム（LiF）の単結晶を分析。通常の半導体 X
線検出器より低エネルギー X 線に高い感度を持つ X 線検出器であるため、Li-Kα線を直接測定できます。また、Li-Kα線の半値幅は約 8 eV でした。

• Elemental analysis of a lithium fluoride (LiF)3
X-ray spectrum acquired by using the SC-SEM for a LiF
crystal is displayed in the figure. Li-Kα (54 eV) peaks canbe detected due to the high sensitivity for low energy. Theenergy resolution of Li-Kα was approximately 8 eV.
フッ化リチウムの X 線スペクトル
X-ray spectrum for LiF.

32

・耐熱鋼中の析出物の元素分析および鉄の化学状態分析 2, 4
軽元素 (B,C,N,O…) は耐熱鋼などの構造材料の特性に非常に影響を及ぼします。軽元素の影響を調査し、性能を向上させるためには、軽元素の空間分布を評価することが非常に重要であります。図 (a) に 9% クロム鋼の SEM イ
メージを示します。黒色や白色のサブ mm の析出物があることが分かります。黒い析出物の定性分析を行うため、Point1 と 2 の特性 X 線スペクトルを SC-SEM で測定しました（図 (b))。Point1 では、25 eV しか離れていない
Cr-Lαと O-Kαを明瞭に分離でき、一方で、Point2 では、N-Kαを計測、また、Point1 に比べ 3 倍程度の O-Kαを計測しました。これらの結果から黒色の析出物が大量の酸素、微量の窒素を含むクロム鋼になっていることが分かりました。

•E lemental analysis and chemical state analysis of precipitates in heat resistant steel 2, 4
Light elements (B, C, N, O …) have a big influence on performances of structural materials, such as high-resistancesteels. To understand the effects of the light elements in the steels and to improve those properties, it is very
important to evaluate amounts of each light element and their spatial distribution. Fig. (a) shows a SEM imageof a 9% Cr steel. Black and white inclusions of sub-micrometer size can be seen. To evaluate the elemental
composition of the black inclusion, X-ray spectra of point 1 and 2 in the SEM image were measured by using the
SC-SEM (Fig. (b)). In the spectrum of point 1, Cr-Ll (500 eV) and O-Kα (525 eV) peaks can be clearly separated. In
contrast, in the spectrum of point 2, the N-Kα peak was observed in addition to peaks observed in the spectrumof point 1, and the intensity of O-Kα peak was about 3 times higher than that in the spectrum of point 1. As aresult of comparison with the two spectra, it is supposed that the black inclusion is the steel containing a lot of
oxygen and a little nitrogen.
(a)

(b)

SEM image(a) SEM 像と (b) 9% クロム鋼の X 線スペクトル(a) SEM image and (b) X-ray spectra for the 9% Cr steel.

その他計測例／ Other examples◦ GaN 中の約 100 ppm の Mg ドーパント分析◦Trace Mg dopant analysis in GaN◦ SiC 中の約 100 ppm の Al ドーパント分析◦Trace Al dopant analysis in SiC◦メタル Li での Li-Kα直接検出◦Direct detection of Li Kα 5

◦デバイス中の不純物分析 65◦Analysis of impurity elements in devices 6

参考文献／ References
1

G. Fujii, et. al., X-ray spectrometry, 46, 325 (2017).

2

G. Fujii, et. al., Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 197 (2020).

3

M. Ukibe, et. al., Microscopy and Microanalysis, 24, 1036 (2018).

4

G. Fujii, et. al., Microscopy and Microanalysis, 23, 1088 (2017).

5

Ukibe, et. al., 75th Annual Meeting of The Japanese Society of Microscopy, abstract (2019).

6

T. Irimatsugawa, et. al., IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 29 (2019).

33

■ 利用の形態

Service mode

「利用結果公開」または「データ提供」が可能な場合はマテリアル先端リサーチインフラ (ARIM) 事業として、「利用結果非公開」の場合は産総研の自主運用として支援いたします。

If your use or research results can be disclosed or if your data can be publicly shared, we will provide support
under the program of Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology (ARIM); if confidentiality
is required, we will provide support as an independent operation of AIST.

マテリアル先端リサーチインフラ事業

産総研の自主運用

Advanced Research Infrastructure forMaterials and Nanotechnology(ARIM) Program

Self-sponsored projects of AIST

①技術相談

Technical consultation

・計測技術コンサルティング

利用結果非公開
Confidential
research

Measurement technology consulting②技術代行

Technical surrogate

利用結果公開
データ提供
Disclosable research
Data sharing

・産総研が代行して設備を操作

AIST staff operate the equipment on your behalf③技術補助Technical support

・産総研が補助指導し、利用者が機器を操作

AIST staff assist and guide users to operate the equipment④機器利用

Common use

・利用者が機器を操作

User operates the equipment on own⑤共同研究

Collaborative study

・利用者と産総研が共同で実施

Jointly implemented by users and AIST staff

契約・約款に基づく支援（有料）Contract-based support (charged)34④の利用はほとんどありません。
Case ④ is quite rare.

■ 利用の方法

STEP
1

STEP
2

STEP
3

STEP
4

STEP
5

STEP
6

Access procedure

会員登録とユーザー登録 Member registration and user registration
Web サイトから会員登録とユーザー登録の後、事前相談申請をお願い致します。（登録等は無料です）
After registering as a member and user on the website, please apply for prior consultation(registration is free).

事前相談 Prior consultation
装置担当者をご紹介しますので、支援内容、支援形態などについてご相談ください。
We will introduce the person in charge of the equipment; please ask us about the details andform of support.

利用申請 Application
支援可能と判断されたら、申請手続きをお願い致します。
If it is judged that support is possible, please apply.

支援の実施

Implementation of support

利用料金の支払 Billing
ご利用後は利用時間に応じて課金請求（利用料の徴収）をさせていただきます。
After use, you will be billed (collection of usage fee) according to the usage time.

利用報告書、データ登録、アンケートなど Usage report, registration of data, questionnaire etc.
ARIM 事業の制度による利用では、支援終了後に利用報告書、データ登録、アンケートを提出していただ
きます。
For use under the ARIM, you will be required to submit a usage report, register data, andcomplete the questionnaire form after the support ends.

■ セミナー＆見学会

Seminars ＆ Lab tours

地域セミナー、設備利用講習会や施設見学会などで、公開装置などの紹介や見学を行っています。是非ご参加ください。

We provide facility traning, lab tours and seminars. Please join us.

35

最新情報などはWeb でご覧ください！

Please see the latest information on the

産総研 ANCF

検索

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Contact

国立研究開発法人 産業技術総合研究所
先端ナノ計測施設 ANCF 事務局〒 305-8568 茨城県つくば市梅園 1-1-1 中央事業所 2 群
E-mail: ancf-contact-ml@aist.go.jp

National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology
AIST Nanocharacterization Facility (ANCF)
Secretariat
AIST Tsukuba Central 2, 1-1-1 Umezono,
Tsukuba, Ibaraki 305-8568 Japan
E-mail: ancf-contact-ml@aist.go.jp
2024.3