大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年03月11日

2021年3月11日
公立大学法人兵庫県立大学
公益財団法人ひょうご科学技術協会

研究成果のポイント
・ フレームレート10 fps以上の高速レンズレス・ナノイメージングを、像再生アルゴリズムと高干渉性（コヒーレント）X線光学系の新規開発により実現
・ X線の高い透過性により、電子顕微鏡では困難な厚い試料を大気圧下で観察
・ 材料やデバイスの機能メカニズムや劣化過程の解明への応用を目指す

研究支援
　本研究は、公益財団法人ひょうご科学技術協会学術研究助成「材料・細胞試料の階層構造可視化に向けた広視野・高分解能X線顕微鏡の開発」（研究代表者: 高山裕貴）及び株式会社東芝研究開発センターの支援の下、実施されました。

研究の背景
　材料科学やデバイス加工技術の革新により、ナノメートル（nm、1 nmは10億分の1メートル）スケールの動的構造評価技術の必要性が増しています。ナノ構造の評価には電子顕微鏡が広く用いられていますが、電子線と物質の相互作用が強過ぎるために、軽元素材料であっても100 nmより厚い試料の内部を透過観察することは困難です。そこで、透過性の高いX線の利用が期待されますが、従来のX線顕微鏡ではX線レンズ加工技術の制約による空間分解能の制限や、観察する構造の微細化に伴うコントラストの低下が課題となっていました。
　研究グループでは、X線顕微鏡の課題解決に向けて、高干渉性（コヒーレント）X線^[2]を活用した、コヒーレント回折イメージング（CDI）法と呼ばれるレンズレス・ナノイメージング技術の開発を進めてきました^注1）。CDI法では、試料に干渉性の高いX線を照射してコヒーレントX線回折強度パターンを取得し、位相回復と呼ばれる計算機アルゴリズムを適用して試料像を再生します。一般の顕微鏡のような結像レンズが不要なため、数十～数nmスケールの高い空間分解能が期待できます。更に、試料の電子密度に比例する位相コントラストでの観察が可能なため、微細な構造を高感度かつ定量的に可視化できます。
　本研究で想定する非粒子状試料の観察には、走査型CDI法であるタイコグラフィ法が用いられます（図1左）。タイコグラフィ法では、マイクロメートル（μm、1 μmは100万分の1メートル）サイズに集光したX線で照射野の一部が重なるように試料上をスキャンして多数の回折パターンを収集し、照射野の重なった領域の構造が一致するよう反復計算を行うことで試料像を再生します。しかし、試料は測定中静止している必要があること、照射野の移動動作に0.2秒程要することから、数十秒より速い時間分解能の実現は技術的に困難でした。

注1） 2018年6月29日プレスリリース「大気中微粒子試料のナノイメージングを実現」

研究手法と成果
　タイコグラフィ法の時間分解能を超える高速ナノイメージングを実現するには、試料スキャンを行わずに単一照射野の回折パターンから試料像を再生する必要があります。また、回折パターン１フレームの露光中にも時々刻々と変化する試料構造を適切に扱う位相回復アルゴリズムを開発する必要がありました。研究グループは、試料構造は一般に滑らかに（連続的に）変化することに着目し、時間変化する回折パターンを１フレーム毎ではなく、全フレームを通じて位相回復することで試料構造変化の動画を再構成する「マルチショットCDI法」を考案しました（図1右）。全フレームを通じて位相回復することで、試料構造が連続的に変化するよう制約を課すことができ、信頼度の高い試料像の再生が期待できます。また、アルゴリズム内部で回折パターンをサブフレームに分割して取り扱うことで、より正確な位相回復が可能となりました。
　マルチショットCDI法を実現する上でのもう一つの課題は、観察視野の照明方法でした。通常の局所照明光学系では、照明ビームの強度分布が一様ではなく、また、裾野が観察視野外に広がるため（図2右下）、ノイズとなって試料像に重なり、位相回復を妨げるという問題がありました。そこで研究グループは、コヒーレントX線で照明したピンホールの像をゾーンプレート^[3]と呼ばれるX線レンズで試料上に縮小結像することで、観察視野のみを限定的かつ均一に照明できる「コヒーレント縮小投影照明光学系」を開発し、大型放射光施設SPring-8の兵庫県IDビームラインBL24XUに設置したCDI装置に実装しました（図2）。本装置では、局所領域の高速観察が可能な開発手法と、広視野観察が可能なタイコグラフィを相補利用することが可能です。
　開発手法の有効性をシミュレーションで確認し、溶液中に分散したコロイド粒子の運動をフレームレート100 fps （時間分解能10ミリ秒、1 ミリ秒は1,000分の1秒）、空間分解能80 nmで動画観察できることを実証しました（図3A）。また、粒子の平均的な移動量（平均二乗変位）が１フレーム当たり約3ピクセル（120 nm）と時間・空間分解能に比べて大きい場合でも、自然な像を再生することができました（図3A下）。これらは、試料スキャンが必要なタイコグラフィでは装置動作による計測の遅延を解消したとしても達成できないイメージング性能です。
　更に、研究グループは、SPring-8の兵庫県IDビームライン BL24XUに設置したCDI装置で実証実験を行いました。厚さ500 nmのタンタル箔に放射状に加工したナノパターン試料（最小線幅50 nm）を1秒あたり125 nmの速度で並進させながらマルチショットCDI実験を行い、その並進運動の様子を約80 nm線幅の構造まで、フレームレート10 fps （時間分解能100ミリ秒）で動画観察することに成功しました（図3B）。

今後の期待
　本研究で開発手法の実証に用いたモデル事例は、開発手法が例えば、ナノ粒子の充填による高分子材料の物性改質メカニズムの理解や、IoT向けのマイクロ/ナノ電気機械システム（MEMS/NEMS）のような微細構造化デバイスの機能特性評価へ応用できることを示唆しています。本研究で開発した装置を用いたタイコグラフィ法は、SPring-8兵庫県ビームラインBL24XUで産業界への供用を既に開始しており、開発手法についても産業実装を目指した応用研究を進めています。現在東北で建設が進む次世代放射光やアップグレードが計画されているSPring-8-IIでは、現SPring-8の100倍近いコヒーレントX線が利用可能になるとされており、将来、より高い時間・空間分解能での実用化も期待されます。

補足説明