小角電子回折を用いた磁性体の磁場応答の観測
中島宏

いて，加速電圧 200 kV，試料厚さ 50 nm の場合の偏向角は.

は じめに4.5 × 10－5 rad である．そのため，このような小さな偏向角を有するスポットを観測するためには，長距離のカメラ長
磁性は結晶中の磁性元素(遷移金属元素，希土類元素等)の(試料面から検出器までの距離)を利用する小角電子回折が必電子スピンが誘発する量子現象であり，物性物理，固体物理要となる(6)(8) ．小角電子回折では，解析スポットから磁区学の分野において活発に研究されている．磁性体が社会に与構造に関する知見が得られるだけでなく，スポットを絞りでえる影響は大きく，古くはフェライト永久磁石によるインダ選択することで，そのスポットを生じさせている領域を実空クダンスやモーターへの利用を始めとして磁気記録媒体等に間で可視化できる利点がある(フーコー法)(9)．

用いられ，日常生活に不可欠な材料となっている．磁気的な筆者らのグループでは，小角電子回折を取得できる電子光

物性は，磁性体内部の磁区構造に影響を受けている場合が多学系を構築し，磁性体の観察に応用してきた(10)(13) ．本稿

い．それゆえ，磁性体内部の磁区構造やその外場による応答

では，小角電子回折とブラッグ反射の両方が取得できるようを解明することは，物性物理学の理解だけでなく応用の観点に構築した光学系とそれを用いた磁区構造及び磁区の磁場応からも重要である(1)．

答を観測した結果について紹介する(14)．

磁区構造を観察する手法としては，磁気光学効果(ファラデー効果，カー効果)を利用した光学顕微鏡や X 線磁気円二.

電 子 光 学 系

色性，スピン偏極走査電子顕微鏡，透過電子顕微鏡などがある．透過電子顕微鏡におけるローレンツ顕微鏡法は，他の手図は対物レンズをオフにした状態での( a )電子回折と法に比べて高い空間分解能を有しているだけでなく，温度・(b)暗視野法の光学系である．本光学系は，対物レンズをオ磁場・応力などの環境を変化させて磁区構造を観察することフにした状態でコンデンサーレンズと対物ミニレンズによっが可能である．て制限視野絞りにクロスオーバー(回折面)を形成している．

ローレンツ顕微鏡法における磁区構造観察手法(2)として，小角電子回折では中間レンズ 1(上段)を強励磁にすることでフレネル法，フーコー法(3)，電子線ホログラフィー(4)，微分数十～数百 m にカメラ長を設定している．一方，ブラッグ位相コントラスト法(5) ，小角電子回折などが用いられてい反射を観測する場合は，中間レンズ 1 の電流値を下げてカる．フレネル法は，フォーカスをインフォーカスからずらすメラ長を数十 cm に設定する．また，これにより中間レンズことによって磁壁を可視化することができ，簡便であること

1 下の固定絞りにブラッグ反射が遮断されることを防いでいから透過電子顕微鏡観察においてよく利用されている．しかる．本光学系では中間レンズ 2(中段)と 3(下段)によりカメし，フレネル法では，像の明暗のコントラストの解釈が問題

ラ長の制御が可能であり，制限視野絞りでブラッグ反射(磁になる場合がある．そこで，磁区構造の解析では，フレネル気偏向)スポットを選択することで暗視野像(フーコー像)が像に加えて磁気偏向スポットや磁区に由来する回折スポット得られる．また，対物レンズを弱励磁することで試料に光軸を観測，解析することが重要である．一般的に磁場による電方向の磁場を印加することができる．

子線の偏向角は小さく，飽和磁束密度が 1.5 T の磁性体にお本光学系の一例を次に示す．図 1( c )は，上記の光学系を

九州大学大学院工学研究院学術研究員(〒8190395 福岡市西区元岡744)
Magnetic Domains and Their Magnetic－field Response Observed Using Smallangle Electron Diffraction Optics; Hiroshi Nakajima(Department of Applied Quantum Physics and Nuclear Engineering, Kyushu University, Fukuoka)
Keywords: magnetic materials, transmission electron microscopy, smallangle electron diffraction, phase transition, magnetic domains
2019年12月16日受理[doi:10.2320/materia.59.207]

ま て り あ 第59巻 第 4 号(2020)
Materia Japan

図 2 M 型ヘキサフェライトの c 面における( a )暗視野像(挿図は拡大図)(b)電子回折図形．(b)における矢頭は暗視野像(a)に用いた反射スポット．(b)におけるカメラ長は 1 m．(b)における挿図は，透過波の小角電子回折(スケールバー 10 mrad ，カメラ長 320 m)．矢印は周期スポットを示す．
図 1 対物レンズをオフにした状態での(a)電子回折と(b)暗視野法の光学系．( c )中間レンズに対するカメラ長． I1, I2, I3 は中間レンズ 1(上段)，2(中段)，3(下段)の電流値．(オンライン
カラー)

晶の励起があっている領域が明るく，真空と結晶の励起が合っていない領域が暗く可視化されている．そして，結晶の歪とは関係なくストライプ磁壁が存在していることが観察され透過電子顕微鏡(JEM2010)で構築した時の，中間レンズ 2ている．通常の電子光学系では対物レンズを使用し対物絞りのレンズ電流(励磁電流)値 I2 に対するカメラ長の変化を示で回折スポットを選択する必要があるため，磁区構造と結晶したグラフである．長距離のカメラ長(70 m～320 m)を用いドメインの相関像を取得することが出来ない．また，この領る場合は中間レンズ 1 の電流 I1 は強励磁(5.0 A)で使用され域から取得した小角電子回折図形には，磁区の周期(360 m)る．一方，ブラッグ反射を観測する数十 cm のカメラ長ではに由来したスポットの周りに直線状のストリークが存在し，I1 は長距離のカメラ長の場合よりも弱励磁( 2.3 A )で使用さ磁壁がブロッホ磁壁であることが確認できる．

れる．中間レンズ 2 の電流を上げた場合，クロスオーバー

本光学系を用いて，超格子反射の外部磁場応答を観測するを制限視野絞り位置からずらさないために中間レンズ 3 の実験を行った．図は， Y 型へキサフェライト( Ba0.5Sr1.5

電流は増加させる．それと同時にカメラ長は 4.5 m から 0.8

Zn2Fe12O22)における 00L 反射の回折図形の磁場依存性であm まで制御することが可能である．

る．外部磁場を印加していない場合(0 mT)，図 3(b)のように( 0, 0, 3d )で表される不整合超格子反射 d ～ 0.23 が存在し.

磁区構造観察結果ている．本物質におけるこの超格子反射は，プロパー型のらせん構造(図 3(e))に由来する(15)．その状態から磁場を印加

上記の光学系を用いて M 型ヘキサフェライト( BaFe10.35

すると 110 mT では図 3 ( c )のように不非整合超格子反射とSc1.6Mg0.05O19)の観察を行った．図は c 面における(a)220

ともに(0, 0, 1.5 )で記述される整合反射が観測されている．

反射を用いた暗視野像と(b)電子回折図形である．暗視野像

さらに，磁場を増大させると 185 mT では( 0, 0, 1.5 )だけがでは磁区構造も同時に観察するためにデフォーカスを与えて観測され，磁場誘起相転移が起こっていることがわかる．ないる．このような像では，磁区構造と結晶ドメインに相関がお，(0, 0, 1.5)超格子反射は縦円錐型らせん磁性(図 3(e))である場合，その相関を観察することができる．(a)では，結あり，この相では強誘電性が生じることが報告されてい

新 進 気 鋭

図 3 ( a ) Y 型ヘキサフェライト( Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22 )における 00L 反射の電子回折図形．下部は(b)0 mT, (c)110 mT, (d)185 mT における拡大図． 0 mT では青枠で囲った領域を拡大し超格子反射強度を上げるためにコントラストを調整している．温度は 100 K ．青と赤の矢頭はそれぞれ不整合反射( 0, 0,3d )および整合反射( 0, 0, 1.5 )を示す．( e )波数( 0, 0, 3d )と( 0,0, 1.5)における磁気構造の模式図．L 及び S は大きさの異なる2 つの磁気モーメントである．黒破線は結晶構造の単位胞，赤破線は磁気構造の単位胞．( f ) 100 K でのらせん波数の磁場依存性．昇磁過程で測定．(オンラインカラー)

図 4 Ni2MnGa における(a)フレネル像(アンダーフォーカス)(b)暗視野像と電子回折図形(スケールバー 10 mrad，カメラ長1 m)．矢頭は暗視野に用いた回折スポット．(c)フーコー像と小角電子偏向パターン(スケールバー 50 mrad ，カメラ長 100m )．フーコー像に用いた偏向スポットは右側の 2 つ矢頭で示されている．(オンラインカラー)に分裂した磁気偏向が観測された．つまり，この領域におい磁壁と180°磁壁を形成していることがわかる．また，て 90°分裂の幅は，大よそ 3.5 × 10－5 rad であり，磁気偏向角 b ＝
elBt/h により試料内部の磁束密度 B は，0.72 T と見積もらる(16)．

れ る ． こ こ で ， e , l, h は そ れ ぞ れ 電 気 素 量 ， 電 子 線 の 波

図 3 ( f )は，様々な外部磁場下において測定されたらせん

長 ， プ ラ ン ク 定 数 で あ り ， 試 料 厚 さ t は 80 nm と 仮 定 し波数の磁場依存性である．らせんの波数 d は0.23から磁場のた．図 4 ( c )挿図に示した右側 2 つのスポットを絞りで選択増大とともに0.25に変化している．波数が0.25になるとともしたフーコー像では，2 つの磁化方向を持つドメインが可視に0.5で表される(0, 0, 1.5)反射が出現している．不整合反射化された．暗視野像とフーコー像を比較すると 180 °
磁壁はと(0, 0, 1.5)反射が 80～ 120 mT の間で共存しているが，こ磁壁は異なるバリア同一バリアント内に形成されるが，90°れは本相転移が 1 次相転移であるためと考えられる．このント間で形成されている．このように本光学系では同一視野ようならせん磁性の波数の磁場依存性は先行研究(17)でも観で暗視野像と電子回折図形およびフーコー像と小角電子回折測されており，本光学系を用いて外部磁場を制御して電子回図形が取得できる．そして対物レンズをオフにしたまま磁区折を観測できていることがわかる．

構造を壊すことなく暗視野法が可能である．

本光学系によって，同一領域で暗視野像とフーコー像が取最後に，磁場中での小角電子回折の応用例として FeGe に得できることを示すために Ni2MnGa の磁区観察を行ったおけるスキルミオン(18)(19)の観察結果を示す．図(a)は 260(図)．フレネル像では明線と暗線が存在し磁壁が形成されK において磁場を印加した状態でスキルミオンを形成(20) さていることがわかる．図 4(b )の挿図に示すように，この領せたのち，温度を下げ 140 K で観察したスキルミオン格子域から取得した電子回折図形はブラッグ反射スポットが分裂のフレネル像である．スキルミオンが 6 mm2 以上に亘ってしている．分裂したスポットの 1 つを用いた暗視野像では存在しておりスキルミオンが長距離の秩序を有していること

図 4( b)のように帯状に明暗が存在している．これは強磁性がわかる．図 5(b )はこの領域から取得した小角電子回折図

マルテンサイト Ni2MnGa で見られる双晶ドメイン(バリア形である．磁気回折スポットの位置は 3.9 × 10－5 rad であント)であり，強弾性の起源であると考えられている． 100り，(65 nm)－1 に相当する．この距離はスキルミオンの格子m のカメラ長を用いて透過スポットを拡大したところ 4 つ

間隔 d＝ 3 ask/2～65 nm に対応しており，観測されている

ま て り あ 第59巻 第 4 号(2020)
Materia Japanて様々な磁性体の磁区構造及び磁場応答の解明がなされていくと期待できる．
本稿で紹介した研究は，大阪府立大学森茂生教授，理化学研究所原田研博士と共同で遂行されました．ここに深く感謝の意を表します．本研究は，科学研究費補助金( 16H03833,15K13306)の支援により実施されました．

文

図 5 140 K, 88 mT におけるスキルミオンの(a)フレネル像，(b)小角電子回折図形．カメラ長は 95 m.

スポットが周期的な磁気構造に由来していることが確認できる．ここで ask ～ 76 nm は 2 つのスキルミオン間の距離である．260 K では 1 次の回折スポットしか観測されていなかったのに対し(20)，図 5(b)では， 1 次反射だけでなく高次反射が観測されている．回折スポットの強度は，試料内部の磁化(磁気モーメント)の大きさに比例するため，この結果は低温でスキルミオンを構成している磁気モーメントが増大していることを示唆している．低温での磁気モーメントの増大は実際に電子線ホログラフィー実験でも確認されている(21)．

.

お わりに

本稿では，小角電子回折とともにブラッグ反射が観測可能な電子光学系とそれを用いた磁区構造の観察，磁場応答の観献( 1 ) A. Tonomura: Electron Holography, Springer, (1999).
( 2 ) J. N. Chapman: J. Phys. D. Appl. Phys., 17(1984), 623647.
( 3 ) 原田 研顕微鏡，50(2015), 118125.
( 4 ) E. V äolkl, L. F. Allard and D. C. Joy: Introduction to ElectronHolography, Springer Science & Business Media, (2013).
( 5 ) 柴田直哉まてりあ，58(2019), 433439.
( 6 ) M. J. Goringe and J. P. Jakubovics: Philos. Mag., 15(1967),393403.
( 7 ) R. H. Wade: Phys. Status Solidi, 19(1967), 847854.
( 8 ) Y. Togawa: Microscopy, 62(2013), S75S86.
( 9 ) Y. Taniguchi, H. Matsumoto and K. Harada: Appl. Phys. Lett.,
101(2012), 93101.
(10) H. Nakajima, A. Kotani, K. Harada, Y. Ishii and S. Mori:Microscopy, 65(2016), 473478.
(11) A. Kotani, H. Nakajima, K. Harada, Y. Ishii and S. Mori: Phys.
Rev. B, 94(2016), 024407.
(12) H. Nakajima, A. Kotani, K. Harada and S. Mori: Jpn. J. Appl.
Phys., 58(2019), 55006.
( 13 ) 中 島 宏 ， 小 谷 厚 博 ， 原 田 研 ， 森 茂 生  顕 微 鏡 ， 52
(2017), 134138.
(14) H. Nakajima, A. Kotani, K. Harada and S. Mori: Microscopy,67(2018), 207213.
(15) T. Kimura: Annu. Rev. Condens. Matter Phys., 3 (2012), 93110.
(16) T. Kimura, G. Lawes and A. P. Ramirez: Phys. Rev. Lett., 94(2005), 137201.
(17) T. Asaka, X. Z. Yu, Y. Hiraoka, K. Kimoto, T. Hirayama, T.
Kimura and Y. Matsui: Phys. Rev. B, 83(2011), 130401.
(18) X. Z. Yu, N. Kanazawa, Y. Onose, K. Kimoto, W. Z. Zhang, S.
Ishiwata, Y. Matsui and Y. Tokura: Nat. Mater., 10(2011),
106109.
(19) N. Nagaosa and Y. Tokura: Nat. Nanotechnol., 8(2013), 899
911.
(20) H. Nakajima, A. Kotani, M. Mochizuki, K. Harada and S.
Mori: Appl. Phys. Lett., 111(2017), 192401.
(21) K. Shibata, A. Kovacs, N. S. Kiselev, N. Kanazawa, R. E. DuninBorkowski and Y. Tokura: Phys. Rev. Lett., 118(2017),87202.
(22) A. G. Fitzgerald: Phys. Status Solidi, 20(1973), 351357.
(23) R. W. Carpenter, J. Bentley and E. A. Kenik: J. Appl. Crystallogr., 11(1978), 564568.
(24) G. S. Y. Yeh and P. H. Geil: J. Mater. Sci., 2(1967), 457469.
(25) K. Harada, A. Kawaguchi, A. Kotani, Y. Fujibayashi, K.
Shimada and S. Mori: Appl. Phys. Express, 12(2019), 42003.

測結果について紹介した．本光学系による小角電子回折は，★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

装置の改良をする必要がなく，レンズ電流の設定をするだけ

2014年 3 月 大阪大学大学院基礎工学研究科博士前期課程修了
2017年 3 月 大阪府立大学大学院工学研究科博士後期課程修了
2017年 4 月 九州大学大学院工学研究院，学術研究員現職
専門分野物性物理学，透過電子顕微鏡◎透過電子顕微鏡を用いて物性現象を観察・解明する研究に従事．

で既存の透過電子顕微鏡において利用でき，従来の手法では難しかった逆空間での磁区構造の解析を可能にする．小角電子回折は，小角中性子( X 線)散乱と同様の解析を可能にすることが示されており，磁性体のみならず合金，ポリマーやナノ粒子の解析にも適用できる(22)(24) ．また最近では，本手法は入射電子線を周回照射して小角電子回折を行うホロコ

中島宏★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ーンフーコー法へと発展している(25) ．今後，本手法を用い新 進 気 鋭