3装置を用いて、局所的な電子の運動を計測する新しい2つの測定手法(高速/精密モード)の開発に成功しました。高速モードでは、従来の測定時間を50%削減した高速測定が可能となりました。精密モードでは、試料の回転を伴う測定においても、試料の偏芯を予測し、試料上の目的位置を高精度(10ミクロン以下)に追跡した測定が可能となりました。発展に大きく貢献します。局所領域の光電子顕微測定を活用した機能性材料のオペランド計測などの応用研究への展開も期待できます。限らず、様々な光電子分光装置への適用も可能であることから、広く光電子分光に関わる計測・分析技術の発展に大きく貢献します。Reports」に平成30年11月27日午前10時(日本時間:11月27日午後7時)に掲載されました。固体物質は、電気的性質ひとつ取ってみても、電気をよく流す金属、電気を流しにくい絶縁体、低温では絶縁体で高温では金属状態となる半導体、さらには低温で電気抵抗がゼロになる超伝導体まで、様々な状態を示します。これらの性質が起こる仕組みを理解し、物質の性質を制御しようというのが物質科学の1つの大きな目標です。どのようにすれば、その性質を調べることが出来るでしょうか。その問いに答えてくれるのが「電子」です。電子が動くことで電気が流れるように、電子がどのように運動するかを調べることで、物質の性質を明らかにすることが出来ます。この手法は、固体に光を入射して、光電効果により固体外に放出される電子の「エネルギー」と「角度」を計測することで、固体中の電子の運動を直接的に調べることができます。本手法は、今日の物質科学の発展を大きく支えていると言っても過言ではなく、本手法に関わる先端的な装置・技術の開発は、世界的にも広く進められています。(図1左)、試料が実空間で不均一性を有していたとしても、入射光のビームサイズが大きいために異なる情報が混ざってしまい、個々の電子の運動の様子を詳細に調べることが困難でした。(図1右)、入射光を微小に集光し、試料表面を選別して観測することで、試料表面の不均一性なども反映して、より本質的な電子の運動を調べることが出来ます。達成に成功しました(*参考資料を参照)。この装置を利用すると、数ミクロン(10-3ミリメートル)のレベルで、試料表面の位置を選択しながら、電子の運動を高精度に調べることが出来ます。効率的に運用するためには、それらの課題を克服する必要がありました。空間精度という自由度が増えたゆえに、実験効率と実験精度のどちらにおいても新たな課題が生じることが分かってきました(図1右)。試料上の位置を選別出来るようになったことは、同時に、試料表面のどの位置を測定するのか、ということを事前に決定する必要があることを意味します。そこで、顕微測定では、試料表面全体(または一部)を細かく分割し、それぞれの強度測定を良く行います。これを空間マッピングと呼びます。これにより、どの位置が本測定に適しているのかを決定することが出来ます。ここで問題となるのは、空間マッピングでは、「測定点数」つまり「測定時間」が飛躍的に増加してしまいます。おけるマッピングでは、1点1点を段階的に測定する方法(段階型マッピング)が用いられてきました。「測定」や「測定点の変化」といったアクションが発生・終了し、次のアクションを発生させる間には「待機時間」が生じてしまいます。段階型マッピングでは、測定点の数が多いほど、この待機時間が必然的に増えてしまい、測定点数の多い顕微測定には不向きであることがわかります。そこで本研究では、顕微鏡などの分野で良く用いられている「走査型マッピング」を導入しました。この手法では「測定」と「測定点の変化」を同時に行うため、待機時間が1点1点生じず、測定点の多い顕微測定でも高速に測定することが可能です。動作確認として、それぞれの方法で空間マッピングを行い、所要時間を計測しました。その結果、本質的にほぼ等しい強度分布データが得られたの対して、段階型マッピングが126分ほど、走査型マッピングは60分ほどの所要時間となり、走査型マッピングでは約2倍の高速測定の実現に成功しました。測定では、電子の角度分布を調べるために、多くの場合、試料を回転させる必要があります。試料を回転さると、偏芯といい、試料位置の変位が生じます(図3:模式図)。この位置の変位は、顕微測定では無視することが出来ないため、この試料位置の変位を数学的に取り扱うことにしました(具体的には、4行4列の行列式(=3次元の回転行列と平行移動行列の組み合わせ)で表すことが出来ます)。これにより、回転中心から、回転した際の位置の行き先を予測することがわかりました。本研究では、蛍光塗料にレーザーを照射し、回転に伴うレーザースポットの位置変位を、高倍率マイクロスコープの画像イメージ上で追跡(位置補正)することで、回転中心を高精度(10ミクロン以下)に決定しました。実際に角度マッピングを行い、偏芯と補正のテストを行いました(図3:角度マッピングの比較)。補正を行わなかった従来型の角度マッピングでは、試料の角度(チルト)が正となる角度で、他のドメインによる強度が大きく混ざってきてしまっているのがわかります(図3右:A)。それとは対照的に、回転による偏芯を予測・補正した追跡型の角度マッピングを用いると、他のドメインが隣接している状況においても、他のドメインの強度を含まない本質的な結果が得られました(図3右:B)。効率的かつ精密に活用することが可能となりました。発展に大きく貢献します。局所領域の光電子顕微測定を活用した機能性材料のオペランド計測などの応用研究への展開も期待できます。限らず、様々な光電子分光装置への適用も可能であることから、広く光電子分光に関わる計測・分析技術の発展に大きく貢献します。オペランド計測では、動作下・外場下のデバイス試料中の電子の運動を局所計測・分析することで、デバイス上のどこで、どのように機能・反応・劣化が生じるのかを明らかにすることが出来ます。:固体に光を入射して、光電効果により固体外に放出される電子の「エネルギー」と「角度」を計測することで、固体中で電子の運動を調べる実験手法(図1の模式図を参照)。同じ原理の手法ですが、微小集光した入射光を利用することで、試料表面の局所領域を選択的に調べることが出来ます(図1の模式図を参照)。