ドーパントの価数ごとの立体原子配列を観測する小型測定装置の研究

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K18184
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 松下 智裕 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (10373523)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松井 文彦 分子科学研究所, 極端紫外光研究施設, 教授 (60324977) ; 水野 潤 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, 客員上級研究員(研究院客員教授) (60386737) [Withdrawn] ; 橋本 由介 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (60872877)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2026-03-31
• Keywords: 電子エネルギー分析器 / ドーパント / 原子配列 / 光電子ホログラフィー / 原子分解能ホログラフィー

Outline of Annual Research Achievements

本研究は電子エネルギー分析器の革新とそれを用いた最新材料のドーパントの化学状態毎の立体原配列の解析の実現を目的とする。ドーピングにより物性の改変を行うことは科学技術の基礎の1つであるが、ドーパントの原子配列の測定は難しかった。研究開発する本装置によるドーパントの立体原子配列の測定原理は以下である。試料に電子線を照射し、ドーパントからオージェ電子を励起する。このオージェ電子の放出角度分布はドーパントの周囲の立体原子配列を記録したホログラムとなっている。ここからドーパント周辺の立体原子配列が得られる。励起源に電子を用いるため、研究室ベースで測定が可能となる。この実現には±45°以上の広い立体角で電子を検出しつつ、高い分解能を持つ電子エネルギー分析器が必要であり市販の電子エネルギー分析器では対応できない。研究開発する電子エネルギー分析器は松井共同研究者らが発明した平行化レンズと研究代表者らが発明したエネルギー分解能を向上させるための阻止電場型電子エネルギー分析器RFAを組み合わせた新しいタイプ部である。研究実施計画として平行化レンズ部の楕円型メッシュ電極、およびRFAの阻止電場長の理論計算結果から、アナライザの設計をする。アナライザと真空チャンバーを製作して、電子アナライザを立ち上げて性能を評価し、実際の光電子ホログラムの測定まで行う計画である。本年度はアナライザと真空チャンバーの製作まで完了した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は電子エネルギー分析器とチャンバーの製作を完了した。この電子エネルギー分析器の重要な部品となる凸型楕円電極は、電子軌道を考えると、法線方向から傾いた方向に穴を空ける必要がある。したがって、加工は格段に難しいことが分かった。そこで、様々な加工法の検討を行った。最終的に50ミクロンの穴を70ミクロンピッチで何万個もの穴を形成した、超精密加工電極の作成に成功した。併せてアナライザーの電極の本体の製作、チャンバーの製作を行った。

Strategy for Future Research Activity

電子エネルギー分析器の部品が揃ったので、次は組み立てていく段階に入る。組み上げ工程は以下のように考えている。レーザ測量機などを用いて、レンズの作成・組み上げ精度の確認と調整を行う。また、電場・磁場について、設計と実測の誤差の確認をする。問題が無ければ、装置全体を組み上げ、電子レンズ、電子銃、試料保持部の設置精度の確認をする。その後に、装置の超高真空立ち上げをする。順調に進めば、電子銃の各機材の動作確認、電源動作の確認、マイクロチャンネルプレート上の電子の検出の確認へと進む。途中で問題があれば、パーツの再加工などを行い、設計通りの動作をするように、段階を踏みながら確認を進め、設計通りの動作になるまで、電子エネルギー分析器のチューニングを行う。チューニング手順としては測定治具に電子ビームを照射して、放射状に広がる電子を生成する。この電子を用いて、電子エネルギー分析器から得られる光電子放出角度分布の精度、エネルギー分解能などの確認を行っていく。予定通りの性能が得られれば、すぐにでもドーパントの原子配列の観測を始めていく。

Causes of Carryover

特注の楕円グリッドメッシュの開発について、加工をする上で予想以上の難しさがあることが分かり、完成と納品が年度末になった。それに合わせて、その他の単純な周辺部品の発注を翌年度に回すこととしたため差額が生じた。購入予定の周辺部品(導入端子、ケーブル等)はすぐに入手できるため、速やかに手続きを行っていく。