電界放出低速電子回折装置の開発と複雑な表面構造の解析

• Project/Area Number: 20K05329
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 水野 清義 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (60229705)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中川 剛志 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (80353431)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 低速電子回折 / 電界放出電子 / 表面構造解析

Outline of Research at the Start

本研究では、電界放出電子線という高性能な電子線を用いて鮮明な回折パターンを得ることを目指している。このため、電子源として仕事関数が小さく（電子が放出されやすい）、化学的に安定な六ホウ化ランタンの針を用いる。また、この装置を用いて、これまでは解析が困難であった複雑な表面構造の解析に挑戦する。これにより、調べることの困難であった表面特有の構造を明らかにすることが可能となる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、これまでに利用されている低速電子回折装置と比較して、よりシャープな回折スポットを得るために、熱電子源を電界放出電子源に置き換えた装置の開発・改良を進めた。電界放出電子は、熱電子に比べてエネルギーの分散が小さく、コヒーレント長が長いため、回折スポットをさらにシャープにすることが可能である。電界放出電子源としてタングステン針を用い、その先端を電界誘起ガスエッチング法によって尖鋭化した。これにより、従来の熱電子源に比べて、回折スポットの半値幅が半分以下になった。また、引き出し電極や偏向電極をコンピュータ制御することにより、100 eVから500 eVという広い電子線のエネルギー範囲にわたって鮮明な回折パターンを得ることができるようになった。さらに、超高真空チャンバ内で針を加熱できるようにしたことにより、高い安定度を得ることができるようになった。また、複数のタングステン針を同時に尖鋭化する方法についても研究を行った。
一方、タングステン針に替えて、六ホウ化ランタンの針の使用を検討した。六ホウ化ランタンの針は物質・材料研究機構の唐捷主席研究員らによって開発されたもので、化学的に非常に安定な物質であるために、長時間にわたって安定度の高い電界放出電流を得ることができるという優れた特徴を持っている。このため、六ホウ化ランタンの針を、本研究で開発した装置に導入し、そこから放出された電子線を使って回折パターンを得ることができるように装置の改良を行った。六ホウ化ランタン針の使用に際しては、加熱による針の清浄化と針先端に電界を加えて活性化する作業が必要であり、その条件などについて実験を行った。また、六ホウ化ランタン単結晶の表面構造を低速電子回折によって構造解析した。これにより、(111)面や(110)面においては、6個のホウ素による八面体が切断された構造になっていることを見出した。

Research Products

• [Journal Article] Field Assisted Reactive Gas Etching of Multiple Tips Observed using FIM low-energy electron diffraction (2021)
  • Author(s): Rezwan Ahmed, Radovan Urban, Mark Salomons, Martin Cloutier, Seigi Mizuno, Robert Wolkow, Jason Pitters
  • Journal Title: Ultramicroscopy Volume: 223 Pages: 113216-113216
  • DOI: 10.1016/j.ultramic.2021.113216
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural analysis of clean LaB6(100), (111), and (110) surfaces via quantitative low-energy electron diffraction (2020)
  • Author(s): Akio Noguchi, Yu Takamura, Takeshi Nakagawa, Eiji Rokuta, Seigi Mizuno
  • Journal Title: Surface Science Volume: 701 Pages: 121686-121686
  • DOI: 10.1016/j.susc.2020.121686
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Probing the surface structure via the adsorbed hydrogen atoms - The case of Cu(410) (2020)
  • Author(s): Jessiel Siaron Gueriba, Wilson Agerico Dino, Seigi Mizuno and Michio Okada
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 528 Pages: 146433-146433
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.146433
  • Peer Reviewed
• [Presentation] LaB6 表面構造の低速電子回折による構造解析 (2020)
  • Author(s): 水野清義, 野口耀生, 髙村優, 中川剛志, 六田英治
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Pd(111)上のPb吸着構造の解析と温度依存性 (2020)
  • Author(s): 荒田 昌宏、Rezwan Ahmed、中川 剛志、水野 清義
  • Organizer: 応用物理学会九州支部大会