空間電磁場の３次元分布を可視化・計測するシュリーレン電子顕微鏡法の開発

• 研究課題/領域番号: 20K20555
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分29:応用物理物性およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 原田 研 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 上級研究員 (20212160)
• 研究分担者: 森 茂生 大阪公立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20251613)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円); 2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2021年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円); 2020年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
• キーワード: シュリーレン法 / ホロコーン照明法 / ラミノグラフィー / トリゴノグラフィー / 空間電磁場 / 広視野観察 / ３次元観察 / トモグラフィー

研究開始時の研究の概要

本研究では、シュリーレン電子顕微鏡法（２次元シュリーレン法）の開発を行う。ここで重要となる技術項目は以下の３点である。
①　シュリーレン法
②　ホロコーン照明、およびホロコーン・フーコー法
③　ラミノグラフィー
このうち①と③については電子顕微鏡で実施された例は無く、②についても本研究提案者らが、2019年春に発表した例があるのみである。
すなわち、電子顕微鏡以外の分野の技術・方法を電子顕微鏡に取り込むことによって、これまで観測できなかった新しい物性情報の計測法とそのためのシュリーレン電子顕微鏡の開発を実現することを目的とした研究である。

研究成果の概要

電子線干渉に強く依存しない位相分布の可視化法としてのシュリーレン法と、３次元計測法のラミノグラフィーに注目し、観察試料の内部だけでなく、試料周りの広範囲の空間電磁場を可視化・計測できるシュリーレン電子顕微鏡法を開発した。この手法では非干渉型の熱電子型透過電子顕微鏡を用いて、電子線ホログラフィーを凌ぐ広視野の電磁場観察を実現できた。
さらに、汎用型の走査型電子/イオン顕微鏡を用いたSub-mm四方の空間電磁場が観察できるLorentz SEM/SIM法の開発、500mTの強磁場印加状態で試料観察が可能なLorentz顕微鏡法、および電子線ホログラフィーの開発を行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、汎用型の電子顕微鏡を用いて電子線ホログラフィーなど実用化されている干渉計測法では計測が困難な、広範囲の空間電磁場の可視化を可能とする技術開発を行った。sub-mmサイズからsub-μｍサイズまでを広く、かつ廉価にカバーできる電子顕微鏡手法である。今後、バイオ系を含む様々な装置開発、材料のマクロスコピックからメゾスコピックな物性解析に応用されるだけでなく、光学の原理、結像理論に根差している手法であるため、解析法の習得を通して、これら分野の教育にも利用されると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] University of Alberta/National Research Council, Edmonton(カナダ)
• [雑誌論文] Sophisticated Double-Slit Interference Experiments Using Electron Waves (2023)
  • 著者名/発表者名: Harada Ken、Takahashi Yoshio
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 21 号: 2 ページ: 121-127
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-039
  • ISSN: 1348-0391
  • 年月日: 2023-05-10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electron Holography Observation of Magnetic Bubbles and Stripe-Shaped Domains under a Magnetic Field (2023)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada, Hiroshi Nakajima, Keiko Shimada, Shigeo Mori and Yoshio Takahashi
  • 雑誌名: Microscopy & Microanalysis 巻: 29
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] NanoMi: Progress on an Open-Source Electron Microscope (2023)
  • 著者名/発表者名: Makoto Schreiber, Marek Malac, Mark Salomons, Darren Homeniuk, Sam Ruttiman, Xuanhao Wang, Olivier Adkin-Kaya, Mohammad Kamal, Jesus Alejandro, Marin Calzada, Patrick Price, Martin Cloutier, Misa Hayashida, Ray Egerton, Ken Harada, Yoshio Takahashi, Heiko Muller
  • 雑誌名: Microscopy & Microanalysis 巻: 29
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron holography for observing magnetic bubbles and stripe-shaped domains in magnetic fields (2022)
  • 著者名/発表者名: Harada Ken、Nakajima Hiroshi、Shimada Keiko、Mori Shigeo、Takahashi Yoshio
  • 雑誌名: Micron 巻: 160 ページ: 103306-103306
  • DOI: 10.1016/j.micron.2022.103306
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Higher-order structure of barley chromosomes observed by electron tomography (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayashida Misa、Sartsanga Channarong、Phengchat Rinyaporn、Malac Marek、Harada Ken、Akashi Tetsuya、Fukui Kiichi、Ohmido Nobuko
  • 雑誌名: Micron 巻: 160 ページ: 103328-103328
  • DOI: 10.1016/j.micron.2022.103328
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of Magnetic Domain Dynamics by Higher and Wider Ranges of Applied Magnetic Fields using Lorentz Microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Harada Ken、Nakajima Hiroshi、Shimada Keiko、Mori Shigeo、Takahashi Yoshio
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 28 号: S1 ページ: 110-111
  • DOI: 10.1017/s1431927622001349
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Observation Method for Spatial Electromagnetic Fields by Using Conventional Scanning Electron/Ion Microscope (2022)
  • 著者名/発表者名: Harada Ken、Shimada Keiko、Takahashi Yoshio
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 28 号: S1 ページ: 780-781
  • DOI: 10.1017/s1431927622003531
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analysis of spatial point patterns in electron-counting images (2022)
  • 著者名/発表者名: Kodama Tetsuji、Nakashima Yusuke、Akashi Tetsuya、Takahashi Yoshio、Mori Shigeo、Harada Ken
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 71 号: 3 ページ: 142-151
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfac006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetization controlled by crystallization in soft magnetic Fe-Si-B-P-Cu alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Hiroshi、Osako Akihiro、Yodoshi Noriharu、Yamada Yoshiharu、Tsukasaki Hirofumi、Harada Ken、Sakai Yuki、Shigematsu Kei、Nishikubo Takumi、Azuma Masaki、Mori Shigeo
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 72 号: 4 ページ: 274-278
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfac042
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 磁区構造を可視化する新しいローレンツ電子顕微鏡法 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田 研
  • 雑誌名: 日本磁気学会 第235研究会/第82回スピントロにクス専門研究会（2022年01月19日） 資料 巻: 235 ページ: 25-32
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two types of magnetic bubbles in MnNiGa observed via Lorentz microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Hiroshi、Kotani Atsuhiro、Harada Ken、Mori Shigeo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 号: 12 ページ: 123003-123003
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac34d2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Schlieren imaging of spatial magnetic fields by hollow-cone illumination (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada Ken、Nakajima Hiroshi、Mori Shigeo、Takahashi Yoshio
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 27 号: S1 ページ: 2318-2319
  • DOI: 10.1017/s1431927621008333
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lorentz scanning electron/ion microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Harada Ken、Shimada Keiko、Takahashi Yoshio
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 71 号: 2 ページ: 93-97
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfab054
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic bubbles in an M-type hexagonal ferrite observed by hollow-cone Foucault imaging and small-angle electron diffraction (2020)
  • 著者名/発表者名: Kotani Atsuhiro、Nakajima Hiroshi、Kawaguchi Atsushi、Fujibayashi Yukihiro、Uchihashi Kento、Shimada Keiko、Harada Ken、Mori Shigeo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 9 ページ: 095003-095003
  • DOI: 10.35848/1347-4065/aba9e9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interference and interferometry in electron holography (2020)
  • 著者名/発表者名: Harada Ken
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 70 号: 1 ページ: 3-16
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa033
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recent advances in small-angle electron diffraction and Lorentz microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Mori Shigeo、Nakajima Hiroshi、Kotani Atsuhiro、Harada Ken
  • 雑誌名: Microscopy 巻: 70 号: 1 ページ: 59-68
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfaa048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hollow-cone Foucault Imaging of Magnetic Textures in Hexagonal Ferrite ; BaFe10.35Sc1.6Mg0.05O19 (2020)
  • 著者名/発表者名: Mori Shigeo、Kotani Atsuhiro、Harada Ken
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 26 号: S2 ページ: 1766-1769
  • DOI: 10.1017/s1431927620019273
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hollow-cone Foucault Imaging of Magnetic Microstructures in Large Magnetostrictive FeGa Alloy (2020)
  • 著者名/発表者名: Mori Shigeo、Kawaguchi A、Harada Ken
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 26 号: S2 ページ: 2146-2147
  • DOI: 10.1017/s1431927620020590
  • 査読あり
• [学会発表] Observation of Magnetic Bubbles in BaFe12-x-dScxMgdO19 by Lorentz Microscopy and Electron Holography (2023)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada, Hiroshi Nakajima, Keiko Shimada, Shigeo Mori and Yoshio Takahashi
  • 学会等名: International Union of Microbeam Analysis Societies Joint with Annual Microscopical Society if Canada and FIB SEM Meetings (IUMAS8)
  • 国際学会
• [学会発表] NanoMi: an Introduction to an Open-Source Electron Microscope (2023)
  • 著者名/発表者名: Marek Malac, Mark Salomons, Darren Homeniuk, Makoto Schreiber, Sam Ruttiman, Xuanhao Wang, Olivier Adkin-Kaya, Mohammad Kamal, Jesus Alejandro, Marin Calzada, Patrick Price, Martin Cloutier, Misa Hayashida, Ray Egerton, Ken Harada, Yoshio Takahashi, Heiko Muller
  • 学会等名: International Union of Microbeam Analysis Societies Joint with Annual Microscopical Society if Canada and FIB SEM Meetings (IUMAS8)
  • 国際学会
• [学会発表] 電子線ホログラフィー/ローレンツ法の比較観察法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 原田 研、中島宏、嶌田惠子、森茂生、高橋由夫
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第79回学術講演会
• [学会発表] Electron Holography Observation of Magnetic Bubbles and Stripe-Shaped Domains under a Magnetic Field (2023)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada, Hiroshi Nakajima, Keiko Shimada, Shigeo Mori and Yoshio Takahashi
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis (M&M2023)
  • 国際学会
• [学会発表] NanoMi: Progress on an Open-Source Electron Microscope (2023)
  • 著者名/発表者名: Makoto Schreiber, Marek Malac, Mark Salomons, Darren Homeniuk, Sam Ruttiman, Xuanhao Wang, Olivier Adkin-Kaya, Mohammad Kamal, Jesus Alejandro, Marin Calzada, Patrick Price, Martin Cloutier, Misa Hayashida, Ray Egerton, Ken Harada, Yoshio Takahashi, Heiko Muller
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis (M&M2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of magnetic bubbles and stripe-shaped magnetic domains in BaFe12-x-dScxMgdO19 under a magnetic field by electron holography (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Hiroshi, Ken Harada, Keiko Shimada, Shigeo Mori and Yoshio Takahashi
  • 学会等名: The 20th International Microscopy Congress (IMC20)
  • 国際学会
• [学会発表] NanoMi: An Open Source Electron Microscope (2023)
  • 著者名/発表者名: Marek Malac, Mark Salomons, Darren Homeniuk, Makoto Schreiber, Sam Ruttiman, Xuanhao Wang, Olivier Adkin-Kaya, Mohammad Kamal, Jesus Alejandro, Marin Calzada, Patrick Price, Martin Cloutier, Misa Hayashida, Ray Egerton, Ken Harada, Yoshio Takahashi, Heiko Muller
  • 学会等名: The 20th International Microscopy Congress (IMC20)
  • 国際学会
• [学会発表] NanoMi: A Modular Platform For Terahertz-integrated UTEM (2023)
  • 著者名/発表者名: Samuel Ruttiman, Makoto Schreiber, Mark Salomons, Darren Homeniuk, Xuanhao Wang, Olivier Adkin-Kaya, Mohammad Kamal, Jesus Alejandro, Marin Calzada, Patrick Price, Martin Cloutier, Misa Hayashida, Ray Egerton, Ken Harada, Yoshio Takahashi, Heiko Muller, Marek Malac, Frank Hegmann,
  • 学会等名: The 2023 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
  • 国際学会
• [学会発表] 荷電粒子線による回折格子を用いた電磁場計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田 研、嶌田惠子、高橋由夫
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第78回学術講演会
• [学会発表] 高磁場印加光学系の構築と磁区ダイナミクス観察への応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田 研、中島宏、嶌田惠子、森茂生、高橋由夫
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第78回学術講演会
• [学会発表] Development of Observation Method for Spatial Electromagnetic Fields by Using Conventional Scanning Electron/Ion Microscope (2022)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada, Keiko Shimada and Yoshio Takahashi
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Magnetic Domain Dynamics by Higher and Wider Ranges of Applied Magnetic Fields using Lorentz Microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada, Hiroshi Nakajima, Keiko Shimada, Shigeo Mori and Yoshio Takahashi
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Interferometry: its development from basic research to new application (2022)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada
  • 学会等名: 14th International Symposium on Atomic Level Characterization for New Materials and Devices ’22 (ALC’22)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 磁区構造を可視化する新しいローレンツ電子顕微鏡法 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田 研
  • 学会等名: 日本磁気学会第235回研究会（2022年）
  • 招待講演
• [学会発表] Schlieren imaging of magnetic fields with hollow-cone electron beams (2021)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada, Hiroshi Nakajima, Shigeo, Yoshimasa A. Ono and Yoshio Takahashi
  • 学会等名: Sixth Conference on Frontiers of Aberration Corrected Electron Microscopy (PICO2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Schlieren imaging of spatial magnetic fields by hollow-cone illumination (2021)
  • 著者名/発表者名: Ken Harada, Hiroshi Nakajima, Shigeo Mori and Yoshio Takahashi
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 電子らせん波の干渉計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原田 研
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第77回学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] マッハ・ツェンダー形振幅分割電子波干渉計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 明石哲也、高橋由夫、原田 研
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第77回学術講演会
• [学会発表] シュリーレン法を用いた磁場分布観察とその方位角依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中島宏、大迫明弘、高橋由夫、原田 研、森茂生
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第77回学術講演会
• [学会発表] 大迫明弘、吉年規治、中島宏、石井悠衣、原田 研、森茂生 (2021)
  • 著者名/発表者名: ナノ結晶軟磁性合金の微細構造と磁気特性
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会第77回学術講演会
• [学会発表] 電子計数画像の点分布の空間パターン II (2021)
  • 著者名/発表者名: 中島右裕、児玉哲司、明石哲也、高橋由夫、森茂生、原田 研
  • 学会等名: 電気・電子・情報関係学会 東海支部連合大会（令和３年度）
• [学会発表] ナノ結晶軟磁性材料の磁気特性と微細構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大迫明弘、吉年規治、中島宏、石井悠衣、原田 研、森茂生
  • 学会等名: 日本金属学会第169回講演大会
• [学会発表] 回折格子を用いた走査電子顕微鏡による電磁場計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原田 研、嶌田惠子、高橋由夫
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会（2021年）
• [学会発表] ホロコーン照明を用いた磁場分布のシュリーレン観察法の検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原田 研、中島宏、森茂生、高橋由夫
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Hollow-cone Foucault imaging of magnetic microsotructures in large magnetostrictive FeGa alloy (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Mori, Atsushi Kawaguchi, Atsuhiro Kotani, Hiroshi Numakura, Yui Ishii and Ken Harada
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Hollow-cone Foucault imaging of magnetic textures in hexagonal ferrite; BaFe10.35Sc1.6Mg0.05O19 (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigeo Mori, Atsuhiro Kotani and Ken Harada
  • 学会等名: Microscopy & Microanalysis 2020
  • 国際学会
• [学会発表] ホロコーン照明を用いた空間磁場のシュリーレン観察法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 原田 研、森茂生、高橋由夫
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会（2020年）
• [産業財産権] ３次元観察装置、及び方法 (2021)
  • 発明者名: 原田 研、森茂生、中島宏
  • 権利者名: 原田 研、森茂生、中島宏
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-049446
  • 出願年月日: 2021