多分割検出による原子分解能 STEM の新しい展開
Atomic-Resolution STEM with Segmented Annular All-Field Detector
柴田哉ａ，ｂ直Naoya Shibataａ

東京大学大学院工学系研究科総合研究機構ｂ

要旨

科学技術振興機構

さきがけ研究員

STEM 法は，細く絞った電子プローブを試料上で走査し，各点からの透過散乱電子を試料下部の検出器で検出し像を形成する手法である．その像コントラストは検出器の形状，位置，角度などによって大きく変化し，得られる情報は用いる検出器のジオメトリと密接に関連している．近年，収差補正技術に代表される電子光学系の進展に伴い，STEM 法は原子構造解析の主要なツールとなりつつある．しかし，検出器ジオメトリと原子分解能像の関係には未開拓の領域が存在し，更なる原子レベルの情報取得が期待されている．本稿では，最近開発した原子分解能対応多分割検出器の概要を紹介するとともに，多分割検出による原子分解能 STEMの新たな可能性ついて議論する．

キーワード：走査透過型電子顕微鏡（STEM），多分割検出器，原子分解能，DPC

1.

ため，検出ジオメトリの異なる複数の STEM 像を同時に取はじめに得することができれば，材料情報を多角的に捉えることが可

走査透過型電子顕微鏡法（STEM）は，細く絞った電子線能になると考えられる．このような STEM 像の同時取り込を試料上で走査し，試料各点からの透過散乱電子を試料下部

みは，独立した環状検出器を複数顕微鏡に導入することで行の検出器により検出し像を形成する手法である．近年の収差われているため，極めて限定的な検出ジオメトリを利用して補正技術に代表される装置性能の向上は，STEM の分解能及いるに過ぎないのが現状であった．そこで筆者らのグループ

び像感度を飛躍的に改善し，本手法が材料研究分野で盛んにでは，原子分解能対応の多分割検出器を開発し，検出器の位利用される契機となっている．STEM の像コントラストは，置，角度に敏感な原子分解能像を 16 画像同時取り込み可能

透過散乱電子を検出する検出器の形状，角度，配置等によりなシステムを構築した 18）．この多分割検出器は，HAADF，大きく変化することが知られており，古くから検出器と像形LAADF，ABF，などの同時取り込みや STEM 像定量解析に成に関する多くの研究が続けられてきた

1 ～ 9）．特に，円状あ有効であるだけでなく，電磁場計測や結晶方位解析など通常るいは円環状の検出器を用いた明視野（BF）法，環状暗視の STEM では困難な情報取得をも可能にするものと期待で野（ADF）法はこれまで盛んに研究されており，なかでも高きる．そこで本稿では，原子分解能対応多分割検出器の概要

角散乱された電子のみを選択的に検出する高角度環状暗視野を紹介するとともに，それを用いた原子分解能 STEM の新（HAADF）法10）はスタンダードな手法として広く利用されてたな可能性を議論する．

いる．最近，環状検出器を明視野領域に配置する環状明視野（ABF）法が開発された 11 ～ 13）．本手法は，材料中の軽元素原子カラムを直接観察することを可能にし

14）

2. 多分割 STEM 検出器の概要，これまで困難で一般に原子分解能 STEM において用いられる検出器には，あった局所領域の軽元素原子構造解析にブレークスルーをも各試料位置から試料下方に散乱された電子を高感度に計測すたらしている 15,16）．他にも，低角散乱領域に環状検出器を配るために，シンチレータ＋光電子増倍管（PMT）の構成が置する低角度環状暗視野（LAADF）法は，局所領域の歪の利用されている．これは，散乱電子を一度光に変換して情報を敏感に検出することから，局在する格子歪や原子空孔PMT で増幅するため，1 Å 程度に絞った電子プローブから形成領域のイメージングの可能性が検討されている

17）．このの微弱な散乱電子さえも高感度に検出することができるためように一口に環状検出といっても，その検出ジオメトリに応である．しかし，通常の検出器では検出器面上の位置をすべじて原子分解能像コントラストは様々な特徴・情報を呈するて平均化し，円環状に一括平均して信号検出する構造であっａ〒 113–8656 東京都文京区弥生 2–11–16
TEL: 03–5841–0415; FAX: 03–5841–7694
2012 年 6 月 27 日受付

解説

多分割検出による原子分解能 STEM の新しい展開た．本研究では，図 1 に模式的に示すように検出器面上を16 分割し，各分割チャンネルごとにファイバー束をカップリングさせ，PMT で検出・増幅する多分割検出器の開発を
157【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図1

検出面上の分割形状の模式図．

図3

分割ファイバー束の断面．

行った．分割チャンネル数をさらに増加させ，より微細な位置・角度情報を得ることは原理的には可能であるが，加工精度，データ処理速度等の観点から，16 分割数を採用した．
図 2 にこの検出器ヘッド部の外観を示す．この検出器ヘッドは既存の収差補正 STEM（日本電子社製 JEM-2100F）の検出器ポートにそのまま接続できる仕様とした．また，図 3には分割ファイバー束の断面を示す．本検出器では，検出面でシンチレータにより電子信号を光に変換した後，前段の光ファイバーにより光信号を転送し，後段のファイバー束側で16 分割する構成としている 18）．分割形状としては，動径方向には円形状に，面内回転方向には 90° セクター型の分割形状を採用した．結晶性試料の観察の場合，多分割検出器と結晶方位との相対的な位置関係が極めて重要になると考えられる．そこで，本システムでは多分割検出器に 0 ～ 90° 回転機構を搭載し，試料自体を回転させることなく試料の結晶方位
図2

検出器ヘッド部の外観．

図4
158と検出面の面内方位を任意に制御できるシステムを開発し本検出器システムの全体構成ダイアグラム．

顕微鏡 Vol. 47, No. 3（2012）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 6 多 分 割 検 出 器 に よ り 同 時 取 得 し た 16 枚 の 原 子 分 解
能 STEM 像． 試 料 は SrTiO3 を［001］ 方 向 か ら 観 察 し て いる．（本文中に示す原子分解能像はすべて HREM 社製の radialdifference filter を使用してノイズを低減している．）
図5

各検出セグメントの像．

可能かどうか検討を行った 18）．環状像を形成するには，同一た．図 4 に本検出器システムの全体構成を示す．

形状の 4 つの検出セグメントからの像を単純に足し合わせれ次に，多分割検出器の分割性能を評価するため，検出器面ばよい．図 7 に 2 つの異なるカメラ長を用いて撮影した環上で電子プローブを走査することによって得られた検出器像状合成像を示す．各像から明らかなように，合成像に関してを図 5 に示す．各分割セグメントの像から明らかなように，も原子分解能 STEM 像が得られていることがわかる．また，各検出セグメント間に顕著なクロストークは存在せず，設計これらの合成像はカメラ長の変化に応じて各リングごとに像通りの 16 分割が達成されていることがわかる．また，各検を敏感に変化させることがわかった．例えば，カメラ長出セグメント像のコントラストは均一であり，ゲイン補正が20 cm の場合，（1 + 2 + 3 + 4）像の検出角度領域はいわゆる的確に制御されていることがわかる．さらに，本検出器が原非干渉 BF 像の領域であり，HAADF 像のコントラストを明子分解能観察に応用可能かどうかを検証するために，1 Å 程暗反転させたような像が得られている．また，カメラ長度に絞り込んだ電子プローブを用いて SrTiO3 結晶を［001］55.7 cm の場合，（5 + 6 + 7 + 8）像の検出角度領域は ABF 像方向から観察した結果を図 6 に示す．本システムでは電子の検出領域であり，Sr，Ti の原子カラムに加えて，O の原子顕微鏡のカメラ長を変化させることにより任意に検出角度をカラムが観察できている．これらの結果は，本多分割検出器調整できるが，本観察では検出器の最外角度を 128 mrad にが複数の環状像を同時に取得する検出器としても十分応用可設定して観察を行った．図 6 の 16 個の原子分解能像に付随能であることを示している．さらに，本システムでは像調整した番号は，各検出セグメントの番号と対応している．これ用の補助環状検出器を別途搭載しており，この補助検出器もらの像から明らかなように，本検出システムは原子分解能利用すれば合計 5 種類の環状像を同時に取得することが可能

STEM 観察に応用可能であり，各検出セグメントからの原子であり，さらに各環状像の加算を行えば，合計 11 種類の環分解能像は検出面上での位置・角度に敏感にコントラストを状像を同時に形成することが可能である（但し，補助検出器変化させることがわかる．これは原子分解能 STEM 像が，像はゲイン補正を独立に行うため，環状像の加算にはカウン検出する透過散乱電子の性質によって大きく変化することをトしていない）．つまり，一回のスキャンで異なる情報を持っ直接示す結果である．このように，本研究で開発した多分割た多数の原子分解能像を形成でき，STEM 像の定性・定量評

検出器は通常の環状検出器と同様に原子分解能 STEM 観察価に極めて有効なシステムになると期待できる．に十分応用できるスペックを有している．

次に，対角に向き合う検出セグメントからの差分像の可能性を検討する 19）．本手法は，微分位相コントラスト法（Dif-3. 多分割検出器を用いた原子分解能 STEM 観察の新たな可能性

ferential phase contrast: DPC）と呼ばれ 2），電子顕微鏡だけでなく光学顕微鏡，X 線顕微鏡などにも広く応用されている

本節では，多分割検出器を用いた原子分解能 STEM 観察手法である．電子顕微鏡分野では主に中低倍における磁場観の新たな可能性について議論する．まず，多分割検出器が様々察に応用されてきたが 7），原子分解能観察への応用は未開拓な環状検出像を同時に一括計測するための検出器として利用の領域である．これまでの理論的な解析から，DPC のコン

解説

多分割検出による原子分解能 STEM の新しい展開

159【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 7 多分割検出器により同時取得した STEM 合成像．HAADF 像は補助環状検出器により同時取得．カメラ長の異なる 2 つのデータセッ
トを示す．各像の下に，検出角度範囲を示す．

図8

原子分解能 DPC STEM 観察の一例．試料は SrTiO3 を［001］方向から観察している．

トラストは試料が十分薄い場合，良い近似で試料ポテンシャ形成した結果を図 8 に示す．左上には検出器と SrTiO3 結晶

ルの微分（＝電磁場）に対応することが示されており 2,3,8），の相対方位関係を示す．今回使用した電子プローブの収束角

本手法を原子分解能観察に応用できれば原子レベルの電磁場は 23 mrad，検出角度は 15.3 ～ 30.6 mrad の範囲である．原

情報を直接取得できる可能性がある．そこで原子分解能

子カラム位置を特定するため，同時計測した HAADF 像を比DPC STEM 観察の可能性を実験的に検証するため，多分割較として示す．DPC 像コントラストの特徴を詳細に調べる

検出器を用いて SrTiO3 を［001］方向から観察し，差分像をため，右上図中矢印方向の像強度プロファイルを HAADF 像

160

顕微鏡 Vol. 47, No. 3（2012）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図9

原子分解能 DPC STEM 像形成メカニズムの模式図．

強度プロファイルと比較して示す．この像強度プロファイル

STEM 像は，原子レベルの電場を検出できる手法であり，誘は図中赤枠で示した領域の像強度を積算したものである．

電体，蓄電池材料，太陽電池など，局所的な電場やポテンシャ

HAADF 像強度プロファイルのピーク位置は原子カラム位置

ル構造の理解が不可欠な分野への応用が期待できる．に直接対応している．DPC 像強度プロファイルと HAADF
像強度プロファイルを比較すると，DPC 強度プロファイル

4. おわりには原子カラム位置を基準として正負が反転した反対称な強度

収差補正装置の登場は STEM の分解能を飛躍的に向上し，プロファイルを形成することがわかった．これは差分方向のSTEM が材料解析分野で広く利用される契機となっている．

異なる（6–8）像及び（5–7）像ともに同様のプロファイルが現 在 ス タ ン ダ ー ド に な り つ つ あ る HAADF STEM 法 と観察されており，原子分解能 DPC STEM 像の特徴であるとEELS，EDS のコンビネーションは原子構造解析の一つの完考えられる．次に，このような強度プロファイルの起源を考成形であるが，近年の ABF 手法の開発に伴い，検出ジオメ察するために，原子分解能 DPC STEM 像の形成メカニズム

トリの再考による更なる情報抽出への期待が高まっている．

を図 9 に示す．ここでは簡単のため，単原子を観察する場

本稿で紹介した多分割 STEM 検出器は，原子分解能観察に合を仮定する．まず試料の無い真空領域で，検出セグメント対応できる仕様であることから，新規イメージング手法開拓

X および Y が等しく電子を検出するように検出器位置を調整のプラットファーム検出器としての利用が期待できる．究極する（a）．この場合，X，Y の信号強度は共に等しくなる．

的には CCD のようなピクセル検出器で各点からの収束電子

次に，電子プローブをスキャンし，単原子近傍左側を電子が回折図形を 2 次元的に記録するシステムの原子分解能化が待通過する場合を考える（b）．電子は原子の電場（原子核の正たれるが，これは今後の展開に期待したい．原子サイズ以下電荷が主要因）によってその軌道を変化する．この軌道変化の電子プローブが形成できるようになった今，検出ジオメトは検出器面上での電子位置をシフトさせ，それが各検出セグ

リの再検討が更なる STEM の可能性を押し開くものと期待メントで検出する信号強度を変化させる．単原子近傍左側をする．すべては電子と試料との相互作用から始まっており，電子が通過する場合，X の信号強度が減少する一方，Y の信問題はそれをどう検出するのかにかかっている．

号強度が増大する（d，e）．一方，単原子近傍右側を電子が通過する場合（c），その逆に X の信号強度が増大し，Y の信謝

辞号強度が減少する（d，e）．よって，X-Y の像強度プロファ

本稿で紹介した研究は，モナッシュ大学の S.D. Findlay 博

イルは（f）に示すように，原子位置を基準として反対称の士，東京大学の幾原雄一博士，日本電子株式会社の河野祐二

プロファイル形状を持つことになる．すなわち，この反対称氏，沢田英敬博士，近藤行人氏との共同研究により遂行されプロファイルは原子周囲の電場分布を反映しており，原子のました．本研究は，JST 戦略的創造研究推進事業さきがけ，中心を挟んで電場の方向が逆転することを可視化している．

文部科学省科学研究費補助金若手研究（A）23686093，新エこのような像強度プロファイルは理論計算によってもよく再ネルギー・産業技術総合開発機構平成 19 年度産業技術研究現されている．また，本手法を強誘電体の原子構造解析に応助成事業の助成の下遂行されました．また本研究の一部は，用することにより，単位胞中の電気双極子形成を敏感に検出

最先端研究開発支援プログラム「高性能蓄電デバイス創製にできることが示されている 19）．このように原子分解能 DPC向けた革新的基盤研究」（中心研究者

解説

多分割検出による原子分解能 STEM の新しい展開水野哲孝東大教授）
161【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

の助成の下遂行されました．また，本研究の一部は文部科学省の支援を受けた東京大学先端ナノ計測ハブ拠点において実施されました．ここに合わせて謝意を表します．
文献1）Rose, H.: Optik, 39, 416 (1974)
2）Dekkers, N.H. and de Lang, H.D.: Optik, 41, 452 (1974)
3）Rose, H.: Ultramicroscopy, 2, 251 (1977)
4）Daberkow, I., Herrmann, K.H. and Lenz, F.: Ultramicroscopy, 50, 75(1993)
5）Haider, M., Epstein, A., Jarron, P. and Boulin, C.: Ultramicroscopy,54, 41 (1994)
6）Hammel, M. and Rose, H.: Ultramicroscopy, 58, 403 (1995)
7）Chapman, J.N., McFadyen, I.R. and McVitie, S.: IEEE Trans. Mag.,26, 1506 (1990)
8）Cowley, J.M.: Ultramicroscopy, 49, 4 (1993)
9）Liu, J. and Cowley, J.M.: Ultramicroscopy, 52, 335 (1993)
10）Pennycook, S.J. and Jesson, D.E.: Phys. Rev. Lett., 64, 938 (1990)

16211）Okunishi, E., Ishikawa, I., Sawada, H., Hosokawa, F., Hori, M. andKondo, Y.: Microsc. Microanal., 15 Suppl. 2, 164 (2009)12）Findlay, S.D., Shibata, N., Sawada, H., Okunishi, E., Kondo, Y.,
Yamamoto, T. and Ikuhara, Y.: Appl. Phys. Lett., 95, 191913 (2009)13）Findlay, S.D., Shibata, N., Sawada, H., Okunishi, E., Kondo, Y. andIkuhara, Y.: Ultramicroscopy, 110, 903 (2010)14）柴田直哉，フィンドレイスコット，幾原雄一：顕微鏡，46，55（2011）
15）Hojo, H., Mizoguchi, T., Ohta, H., Findlay, S.D., Shibata, N.,
Yamamoto, T. and Ikuhara, Y.: Nano Lett., 10, 4668 (2010)16）Findlay, S.D., Azuma, S., Shibata, N., Okunishi, E. and Ikuhara, Y.:Ultramicroscopy, 111, 285 (2011)17）Muller, D.A., Nakagawa, N., Ohtomo, A., Grazul, J.L. and Hwang,
H.Y.: Nature, 430, 657 (2004)18）Shibata, N., Kohno, Y., Findlay, S.D., Sawada, H., Kondo, Y. andIkuhara, Y.: J. Electron Microsco., 59, 473 (2010)19）Shibata, N., Findlay, S.D., Kohno, Y., Sawada, H., Kondo, Y. andIkuhara, Y.: Nature Physics, 8, 611 (2012)

顕微鏡 Vol. 47, No. 3（2012）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】