株式会社東レリサーチセンター(所在地：東京都中央区日本橋本町一丁目1番1号、社長：川村邦昭、以下、「TRC」)は、このたび、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope：TEM) ^※１による最先端イメージング法である最適明視野走査透過型電子顕微鏡法(Optimum Bright Field Scanning Transmission Electron Microscopy：OBF STEM)の受託分析サービスを、国内の受託分析会社として初めて開始します。OBF STEMは材料を構成する原子配列を直接観察することが可能な空間分解能を有しており、たとえ観察時の電子線照射量を従来よりも大幅に低減させても鮮明な像を得ることができます。本手法の導入により、例えば従来は観察が難しかったゼオライト等の電子線照射に弱い多孔質材料について、吸着や分離などの機能発現に重要な表面・界面の原子配列の特定が可能となります。
　TRCは、このような情報をご提供することで、カーボンニュートラル社会の実現に対して、材料開発支援の面から貢献していきたいと考えています。今後も「高度な技術で社会に貢献する」という当社の基本理念に基づき、よりいっそうの技術水準の向上に努めていくとともに、最新の先端分析サービスをいち早く提供し、少しでもお客様の製品開発に役立てるように、今後も技術開発に邁進してまいります。


【背景】
　走査透過型電子顕微鏡法(Scanning Transmission Electron Microscopy：STEM) ^※2はTEMを用いた測定手法の一種で、細く絞った電子ビーム(電子線)を試料に照射し、試料面上で走査することで、試料の内部構造を可視化する測定方法です。近年、電子顕微鏡レンズのぼけ(レンズ収差)を補正する技術が開発され、2017年には東京大学と日本電子株式会社の共同チームによって0.0405 nmの世界最高空間分解能が達成されました。その空間分解能の高さから、試料内部の原子配列を直接観察することが可能であり、昨今のナノテクノロジーを支える重要な分析技術となっています。

　しかしながら、電子線はX線と比べて物質との相互作用が大きいため、照射時に試料にダメージを与えやすく、ダメージを受けやすい試料の詳細な構造観察は難しいという問題がありました。特に、ガス分離や触媒として用いられるゼオライトや金属有機物構造体(Metal Organic Framework：MOF)等の多孔質材料、あるいは有機結晶材料などの結晶構造をSTEMで観察することは極めて困難でした。

　このような問題を解決するための新規イメージング方法として、電子線の強度を下げても鮮明な像を取得可能な最適明視野(Optimum Bright Field：OBF) STEM法が2021年に提案されました(K. Ooe, et al., Ultramicroscopy 220, 113133 (2021))。OBF STEMは東京大学の研究チームが開発した手法であり、日本電子株式会社からOBF STEM用検出器や測定・解析ソフトがリリースされています。当社では受託分析会社としてはいち早く本手法を導入し、受託分析サービスを新たに開始します。

【今回の新規導入分析手法の特長と測定事例】
　従来のSTEM法である環状暗視野(Annular Dark Field：ADF)-STEM^※3では円環状のSTEM検出器が用いられますが、OBF STEMには円環を更に円周方向に分割したSTEM検出器が用いられます。この分割された各セグメントで同時に得られた複数のSTEM像に対して、専用の周波数フィルターを適用することで、画像のノイズ成分を最小化し、シグナル成分を最大化します。ADF-STEMは軽元素のコントラストが付きにくいという問題がありましたが、OBF STEMは軽元素と重元素の両方に対し、高いコントラストで観察することができます。また、OBF STEMにより、極めて弱い電子線照射でも試料構造を鮮明に観察することが可能になり、電子線照射に脆弱な試料の高倍率観察が実現しました。

　次に、OBF STEMを用いた測定事例を示します。

　図1にゼオライトに対するADF-STEM像とOBF STEM像の比較を示します。ゼオライトは200種類以上の結晶構造が報告されていますが、ここではMFIという骨格コードで識別される構造で形成されるゼオライトを観察しました。図1(a)は従来観察法であるADF-STEMにより取得した像ですが、像を認識可能な範囲で電子線照射量を最小化させても、画像取得時に結晶構造が破壊されています。一方で、新規観察法であるOBF STEM法では、更に電子線照射量を低下させても鮮明な像を取得可能なため、図1(b)に示したように、ゼオライトの結晶構造を明瞭に観察することができることがわかります。