超高圧電子顕微鏡の新たな展開

レーザー敷設型超高圧電子顕微鏡の開発とその可能性
Development of Laser-HVEM and Its Application
渡辺精一，谷津茂男，大久保賢二

Seiichi Watanabe, Shigeo Yatsu and Kenji Ohkubo
北海道大学
要旨

大学院工学研究院附属エネルギー・マテリアル融合領域研究センター

超高圧電子顕微鏡研究室

北海道大学超高圧電子顕微鏡研究施設において進められてきた，短パルスレーザー照射で材料がどのように組織変化していくかをナノスケールでその場観察することができる，レーザー敷設型超高圧電子顕微鏡の開発ならびに，これによる新たなその場観察技法に基づく，照射効果現象と格子欠陥の研究例を紹介する．

キーワード：レーザー超高圧電子顕微鏡，その場観察，レーザー誘起現象，照射効果，格子欠陥報告されている．しかし，超高圧電子顕微鏡はもとより電子
1.

はじめに顕微鏡による表面微細組織その場観察や，誘起リップルパ

電子線やイオンなどの量子ビームの物質への照射効果は，ターン 3）をナノスケールでその場観察，報告された例は少な

長い間，材料科学，とりわけ格子欠陥や照射損傷，または表い．これらの背景を踏まえ，固体科学という観点から，フォ面科学を専門とする基礎研究者によって調べられてきた．近トンビームによるナノ物質変化のその場観察という未踏畑に年では，光と物質の相互作用として，レーザービーム照射に先鞭をつける意義が見いだせよう．その際，超高圧電子顕微よるナノドットの自己組織化が研究者たちの興味を引き付け鏡による，電子線やイオン照射との重畳効果のその場観察がている．このようなエネルギービームの照射により形成され可能なマルチビーム電子顕微鏡の新規開発は，重要な位置をたナノサイズの量子ドットや表面リップルなどのナノ構造物占めることが期待される．ハドロン（イオン）ビーム，レプは，その微小さゆえに既存のバルク材料としての特性とは異トン（電子）ビームに加え，フォトン（電磁波）ビームであなり，新機能デバイス化へのアプリケーションとしての可能るレーザー光導入により，素粒子系量子ビームの 3 種が揃う性を大いに秘めているからである．例えば，イオンスパッタことになるため，量子ビーム研究そのものとしても意義があ

リングにより GaSb バルク上に形成されたナノドットは，量る．

子閉じ込め効果によりフォトルミネッセンススペクトルを青そこで，本稿では，超高圧連携ステーション事業の一環とし

1）

方偏移させ，光電子・量子デバイス化が期待されている ．て北海道大学超高圧電子顕微鏡研究施設において進められてまた，極短パルスレーザー照射によって形成された Si のコー

きた，短パルスレーザー照射で材料がどのように組織変化し，ン状構造物は，その光吸収特性を利用して光検出器としてのナノドットが自己組織化していくかをナノスケールでその場利用可能性を秘めている 2）．その他，レーザーアブレーショ観察することができる，レーザー敷設型超高圧電子顕微鏡をンが拓いた新たな科学分野の例として，フラーレン，カーボ開発することを第一目的とし，これによる新たなその場観察ンナノチューブ生成なども挙げられる．このように，物質と技法に基づく照射効果現象と格子欠陥研究手法の開拓研究を

光（レーザー）の相互作用についての研究は，非平衡材料科紹介する．

学という，新規マテリアル研究としての可能性を存分に秘め

レーザー超高圧電子顕微鏡開発 4）ながら学問として未だ若く，それゆえ研究開拓の余地は十分

2.にあり，新知見をもたらすことに大きな期待がもてる．

使用したパルスレーザーは直線偏光型の Inlite II-532（Nd：1950 年代にレーザー発振装置が発明されてから現在まで，YAG レーザー，パルス幅：5–7 ns，波長：532 nm，Continuum

材料への照射効果 3）についての研究は，多岐に亘った分野で社製）で，超高圧電子顕微鏡は H-1300（日立製）である（現〒 060–8628 札幌市北区北 13 条西 8 丁目
TEL & FAX: 011–706–7886
E-mail: sw004@eng.hokudai.ac.jp
2011 年 7 月 4 日受付

特集

レーザー敷設型超高圧電子顕微鏡の開発とその可能性

在は 1064,266,355 nm レーザー光も利用可）．開発にあたり，レーザー発振により生じる微小な振動が，ナノスケールで試料を観察する超高圧電子顕微鏡利用に悪影響を及ぼすのではないかと考えられたため，Inlite II-532 を H-1300 に設置する151【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

前に，H-1300 の近くで Inlite II-532 を動作させ，その振動や鉛ガラスを用いることでこの 3 点をクリアできる導入ポート

電磁ノイズが H-1300 にどのように影響するか調べた．具体を作製した．また，ポートからの X 線漏洩をできるだけ抑的には，試料を① Inlite II-532 の電源を入れる前，②電源のえるために，ポートに φ6 mm の鉛スリットを設置した．

み ON，③冷却水 ON，④レーザー発振時にそれぞれ H-1300

また，ポートまでのレーザー光の導入方法であるが，本研により TEM 写真を撮影し，振動による像のブレやゆがみが究では H-1300 にレーザー光をダイレクトに入射するためとないか調べた．

レーザーと H-1300 の相対位置を保つために，光ファイバーまた，レーザー光導入口を設けたことによる X 線漏洩のやレーザー光経路を曲げる鏡などを使用せず，H-1300 の鉄懸念もある．そのため，まず H-1300 の電源を入れずに X 線

骨に直接レーザー発振器を 60° の角度で固定する方法を選択

計測し，バックグラウンド強度を調べた．次に H-1300 の電した．設置するにあたり，レーザー光を正確に試料へと到達源を入れ，フィラメントを印加した時の X 線強度を測定し，させるために，μm 単位で照射位置を移動させることのできその後，放射線遮蔽用鉛カーテンを設置したあとの X 線強るレーザー架台を作製した（図 3）．レーザー架台は H-1300

度を測定し，安全な環境となっているかどうかを判断した．の鉄骨に 4 本のボルトで固定し，そこにレーザーを取り付けレーザー光導入ポートは H-1300 観察部の上部に位置し，試た．このレーザー架台（図 3）では，レーザーを X 軸，Z 軸，料に対して垂直から 30° の角度で照射されるように設置されθ，tilt で微調整可能となっている．X 軸は進行方向に向かっている（図 1，2）．てレーザーヘッドを左右方向に調整可能，Z 軸はレーザー開発にあたり，レーザー光をできるだけ減衰なく鏡体内にヘッドを上下方向，θ はレーザーヘッドの左右の首振り，tilt通すこと，X 線を遮蔽すること，鏡内の高真空を保つことのは上下の首振りの調整が可能となっている．微調整する際，3 つの点をクリアさせなければならない．そのため本研究で特に θ と tilt は動かしすぎると照射位置では大きくずれが生は内側（鏡内側）を ITO でコートした石英ガラスの外側にじるので注意する必要があった．

図1

レーザー超高圧電子顕微鏡（L-HVEM）の模式図

図3

図 2 レーザー超高圧電子顕微鏡（L-HVEM）照射部と鉛カーテン壁開時（奥）

152

図4

レーザー架台光センサーホルダー

顕微鏡 Vol. 46, No. 3（2011）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

実際に試料にレーザーが照射されているかを目視で確認することができないため，別途，光センサーホルダーを作製

4.

（図 4）し，試料位置中心にレーザー光が届いているかを判開発したレーザー発振器付加型超高圧電子顕微鏡により従断した．北海道大学で新規開発した実際のレーザー敷設型超高圧電子顕微鏡（L-HVEM）を図 2 に示す．

レーザー超高圧電子顕微鏡による材料照射試験

来法ではできない典型的な 3 つの実験について紹介する．
4.1

半導体（Si）へのレーザー超高圧電子顕微鏡によるその場観察実験 4 ～ 7）
3.

開発レーザー超高圧電子顕微鏡の動作実験結果

図 6 に薄膜化した Si(100) 電子顕微鏡試料への H-1300 内

Inlite II-532 を H-1300 に設置する前に，H-1300 の近くでレーザー照射実験の例を示す．実際の実験ではビデオ撮影しInlite II-532 を発振し，その振動や光照射が H-1300 内の観察ているが，その一部を抜粋して画像として載せた．4.3 × 102に ど の よ う な 影 響 を 及 ぼ す か 調 べ た． ス テ ン レ ス 鋼 をJ/m2/pulse, 2 Hz, 140 pulses の条件にて，H-1300 内でレーザー

H-1300 で観察し，30,000 倍にて写真を撮影した結果を図 5

光を照射した．レーザー光の偏光方向は水平である．画面上に示す．これらの TEM 像を見る限りでは，像のブレやゆが部は，Si 試料でエッジ部分が黒いコントラストになっている．

みは見られない．従ってレーザー照射による HVEM への直これはレーザー照射によりエッジが溶融し，収縮した分，厚接的な振動などの影響は無く，レーザー光が試料に当たるこみが増したためである．記録開始の時点には，アンダーフォーとによるレーザー照射効果をその場記録可能であることが担カス条件で Si に黒いコントラストの表面上の数ナノ～数十保できた．

ナノメートルのドットが既に数個出現しており，照射毎にそレーザー導入口を開けたことによる X 線漏洩の問題につのドットが増え，二列に配列する様子がうかがえる．さらにいては，Inlite II-532 導入口のまわりを鉛のカーテンで覆い，その後二列から一列に規則配列（偏光方向に垂直に整列）す

地上に降り注ぐ X 線を減衰しようと試みた．なお，鉛カーる様子が観察できた．それ以降はドットの列は安定し，変化テンのうち，前面部分は前後に開閉可能となっている．外部しなかった．このような現象確認の報告例はなく，本研究で放射線の線量限度は 1.3 mSv/3 ヶ月となっており，少なくと初めて明らかにされた 4）．なお本実験では，電子線の影響は，も観察者の近くは X 線測定値が十分安全なものと言える．
（線ビームを大きくし，撮影モードにしているため無視できる．

量の最も多かった場所でも，フィラメント印加中に 1 日

Si にレーザーを照射した場合，まず第一段階としてドット

10 時間 3 ヶ月間毎日立ち続けたとしても限度を超える値でが出現し，その後自己組織化に加え第二段階の LIPSS リッ）はない．

プル構造 3），最終的にはコーン状構造物に成長すると考えら

実際に H-1300 へ Inlite II-532 を設置するに当たり，レーザー架台を H-1300 鉄骨へ直接固定し，そこへ Inlite II-532

れる 5 ～ 7）．

を取り付けるという方法を選定し，レーザー光が直接試料へ4.2

Pd/ZnO 粒子材へのレーザー急速加熱実験と届くようにした．φ0.6 mm の単孔リングを貼り付けた光セ

内部酸化法で作製した Pd/ZnO（パラジウム中に ZnO 粒子ンサーホルダー（図 4）により各場所でのレーザー強度分布を分散化させた）試料に 4.3 × 102 J/m2/pulse, 2 Hz, 450 pulsesを測定した．測定場所はレーザー照射領域の上下の中心横で照射を行った．照射前と照射後の H-1300 像を図 7 に示す．

2 mm の幅で 0.1 mm 間隔に測定した．半値幅 2 mmφ 程度でパラジウムの中には ZnO の析出があり，白いコントラストでレーザービームが試料に当たることが確認できている．また，観察される．ZnO は針状形状をしており，レーザー加熱照試料へ届いたレーザー光強度を，パワーメーター実測値から射によって丸く変化した．丸くなるのはエッジ付近の ZnO

光センサーホルダー実測値を換算し求めた．

のみであり，エッジから離れるに従い，形状に変化が見られなくなった．変化が起こるのは試料の厚みに関係し薄膜部ではレーザー照射による加熱効果が顕著であることによる．鏡図5

Inlite II-532 の電源を入れる前（左）とレーザー発振時（右）のステンレスの H-1300 像（30,000 倍，像のブレや歪みは観察されない）

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レーザー敷設型超高圧電子顕微鏡の開発とその可能性

153【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図6

図7

Si(100) レーザー照射規則化ドットその場観察 4）

レーザー照射前（左）と照射後（右）の Pd 中の ZnO 粒子の H-1300 像

外での内部酸化アニール実験との比較から，試料温度は1000°C 以上に相当する温度上昇が起こっていると考えられ
る 8）．これは通常の TEM 加熱実験では達成できない高温度域である．
4.3

格子欠陥研究：ステンレス鋼への電子線・レーザー

照射9）

SUS-316L への照射実験では，まず H-1300 にて電子線を1 MeV, 50 min, 5 dpa, R.T. で照射し，試料中に照射効果により格子欠陥を出現させ，その後，˜100 J/m2/pulse, 2 Hz, 20 minでレーザー照射を行った．照射前と照射後では出現した格子欠陥がレーザー照射によってアニールされ，消滅していく様子が観察された．また，レーザー照射を行い試料内部に誘起されるフランク型転位ループの成長過程をその場観察を行った結果（図 8），通常の HVEM 電子線照射では，格子間型転位ループ形成が主であるのに対し 10），レーザー照射では空孔型転位ループが生成していることが判明した．このことは，レーザー照射が過剰空孔の形成を誘起することの証明であ154

図 8 レーザー照射誘起による SUS-316L の空孔型転位ループ成長のその場観察（800K）8）

顕微鏡 Vol. 46, No. 3（2011）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

り，今後，電子線，イオンに加えてパルスレーザー照射効果の道が拓かれた点においても特筆に値する．

による新たな格子欠陥研究の展開が期待されよう．また，実最後に，本装置開発は全国超高圧電子顕微鏡連携ステー

験温度を変え，空孔の活性化エネルギーの同定にも成功してションによるサポート，ならびに北海道大学超高圧電子顕微いる 9）．さらに，現在は電子線・レーザー同時照射によるボ鏡研究室の関連スタッフ，学生諸氏の 5 年余に亘る多大な協イド形成のその場観察も成功しており，同時照射特有の効果力の賜物であることを付記しておく．

も見出されている．
文

5. まとめレーザー敷設型超高圧電子顕微鏡（L-HVEM）を独自開発し，レーザー照射時の各種材料の様子をその場観察することに成功した．その他，レーザープルーム表面現象のその場観察などの研究についても着手しているが，枚挙にいとまがないので次機会に報告したいと思う．
本 L-HVEM 開発の成功により電子線とレーザービームとのカップリング照射効果など，将来，新たな学域の創生が期待できる．半世紀の北大超高圧電子顕微鏡研究室が進めてきたマルチビーム超高圧電子顕微鏡開発においても，レーザー（フォトン）という新たな量子ビームの導入に成功したことは意義があり，イオンー電子の同時照射マルチビーム超高圧

献1）Facsko, S. et al.: Science, 285, 1551–1553 (1999)
2）Wu, C., Crouch, C.H., Zhao, L. and Mazur, E.: Applied Physics
Letters, 81, 1999–2001 (2002)
3）Birnbaum, M.: Journal of Applied Physics, 36, 3688 (1965)
4）Watanabe, S. et al.: J. Appl. Phys., 108, 103510-1-5 (2010)5）Yoshida, Y. et al.: Jpn. Inst. Electron Packag., 3, 57 (2010)
6）Yoshida, Y., Sakaguchi, N., Watanabe, S. and Kato, T.: Appl. Phys.
Express, 4, 055202-1-3 (2011)
7）Yoshida, Y. et al.: Nanotechnology, 22, 375607-1-7 (2011)8）Watanabe, K., Sakaguchi, N. and Watanabe, S.: Journal of Materials
Science, 46, 4568–4573 (2011)9）Yang, Z.B. et al.: to be published10）Kiritani, M., Yoshida, N., Takata, H. and Maehara: J. Phys. Soc. Jpn.,
38, 1677–1686 (1975)

電子顕微鏡に加えて，レーザー光を組み込むという新展開へ

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