| 研究課題/領域番号 |
26246026
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
楊 金峰 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (90362631)
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| 研究分担者 |
吉田 秀人 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (00452425)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 電子顕微鏡 / 時間分解電子顕微鏡 / 高速電子線回折 / フェムト秒時間分解イメージング / ビーム応用 |
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| 研究実績の概要 |
平成27年度は、相対論的なフェムト秒短パルス電子ビームを用いて電子顕微鏡の実証実験を行い、電子線パルスによる電子顕微鏡像の測定技術を確立した。
１）今までの「フェムト秒時間分解電子顕微鏡の基礎研究」で開発した実証機（現有機器）を改良し、相対論的なフェムト秒電子線パルスが測定可能な超高速電子顕微鏡の製作に成功した。詳細については、まず、昨年度に製作したフェムト秒フォトカソードRF電子銃を用いて、電子ビームのエミッタンスとエネルギー分散（エネルギー幅）を低減し、今年度に新たに製作した高精度の磁気レンズとコンデンサ絞りにより電子ビームを精密に制御し、目標の0.1mm-mradの低エミッタンスかつサイズが小さい電子ビームの発生技術を確立した。次に、電子顕微鏡像のコントラストとビームエミッタンスの依存性を実験的に解明し、相対論的フェムト秒電子線パルスを用いた電子顕微鏡像の測定技術を確立した。
２）新規に高感度EMCCDカメラを導入し、昨年度に開発したTlをドープしたCsIシンチレーターイメージングを用いて、5cmx5cmの有効検出面積を持つ検出器を開発した。世界初めて、エネルギーが3.1MeV、パルス幅が100フェムト秒の電子線パルスを用いて、コントラストが良い、直径が500nmのポリスチレン微粒子の透過電子顕微鏡像の観測に成功した。更に、低倍率（1000倍程度）では、パルス幅が100フェムト秒、パルス当たりの電子数が10の7乗個のパルスを利用したシングルショット電子顕微鏡像の測定技術を実現した。これは、不可逆な構造変化の観測やダイナミクスの解明に必要不可欠な技術である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
まず、相対論的なフェムト秒電子線パルスを用いて、コントラストが良い、ポリスチレン微粒子の透過電子顕微鏡像の観測に成功したことである。この成果は、軽い元素から構成された物質・材料の構造観測が可能であることを示す。これにより、測定対象物質としては、金属ナノ粒子や金属酸化物などの重い元素の物質のみにならず、有機電荷移動錯体結晶や重要な生命機能を担うタンパク質や生体超分子複合体の構造ダイナミクス研究にも適用可能であることを示唆している。
次に、フェムト秒電子線パルスを用いたシングルショット透過電子顕微鏡像の測定技術を実現したことである。この成果は、フェムト秒時間分解能の実現につなげると共に、これを用いた今まで不可能であった不可逆な構造変化ダイナミクスの研究が、現実の課題へと転化される大きな成果になっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
フェムト秒電子線パルスの高輝度化、検出器や電子レンズの高度化を行い、時間・空間分解能を評価すると共に、時間分解電子顕微鏡の測定を通じて、フェムト秒・ピコ秒時間領域での構造ダイナミクスの研究を推進する。対象として、金属ナノ粒子、金属酸化物や有機電荷移動（CT）錯体結晶等を用いる。そのために、
１）物質における構造相転移は、温度・圧力・電磁場・外部刺激（光励起波長や強度）等に強く依存する。例えば、CT錯体結晶では、微弱な外場による僅かな自由エネルギーの変化によっても準安定相間の変化が引き起こされ、物性変化を伴った相転移が発現している。光誘起絶縁体-金属転移は、凍結した電子の融解によってつくられた中間“金属”状態が関与している。しかし、その中間“金属”状態は短寿命であり、詳細が明らかになっていない。本研究では、主にフェムト秒レーザーを用いて、それぞれの対象物質を励起し、電子励起によって引き起される原子移動、構造変化、非平衡状態の生成過程の時間発展をフェムト秒時間分解電子顕微鏡で測定する。また、励起波長、偏光や強度への依存性を明らかにし、非平衡状態の生成過程、絶縁体-金属-超伝導相転移や電荷移動等の機構を解明する。新しい機能性物質の発現と応用への展開を目指す。
２）本研究で開発する時間分解電子顕微鏡では、高いエネルギーの電子ビーム（1～3MeV）を使用しており、対物レンズのギャップが大きく、広い試料室を有する特徴がある。この特徴を積極的に利用し、「その場の観察法」を通じて、温度、圧力、外部電場等への依存性も測定し、多方向から効率的に研究を進める。そのために新たな試料ホルダーと試料挿入・調整装置を開発し製作する。
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