JP2009517685A - 超薄カーボン支持膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、超薄膜カーボン支持膜の製造方法に関するものであって、従来の試料が持つ問題点を解決して、特に、ナノ粒子試料の原子構造分析のための高分解能透過電子顕微鏡分析のための試料準備に活用できる超薄膜カーボン支持膜の製造方法を提供しようとするものである。本発明は、カーボン支持膜に孔領域を設けて、その孔領域が非常に大きくて、かつ広く超薄膜カーボン支持膜を形成することを技術的特徴としており、これによって該当領域に載置された粒子は高分解能透過電子顕微鏡分析において、支持膜が最小化した映像を獲得することができる。したがって、本発明による超薄カーボン支持膜の強度と熱的安定性は市販される製品と類似するように維持される一方、その厚みをより薄くし、その領域をより大きく形成することによって、支持膜の上に載置された試料の高分解能透過電子顕微鏡分析に一層有利に活用できる長所がある。

Description

本発明は、ナノ科学の発展と共に、その重要性と需要が急増しているナノ粒子の高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）分析のための試料準備方法に適した超薄カーボン支持膜の製造方法に関するものである。

ナノ粒子試料の高分解能分析において、映像の品質は試料支持膜の厚みによって大きく左右される。一般に、商用化されたカーボン支持膜が載置された金属メッシュグリッドの膜厚みは数十ｎｍであって、ナノメートル単位の粒子に対する高分解能の映像は支持膜の非晶質映像の妨害により清潔に得られない。これに対する短所を補完するために、超薄カーボン支持膜の製造方法が研究されてきたのであり、このような方法により製造された超薄カーボン支持膜を使用したグリッドが市販されているが、これもまた１０ｎｍ以下の粒子の微細構造を結像するには支持膜の厚みが厚い過ぎる。数ｎｍ単位の粒子に対する高分解能の分析を遂行するには、市販されている超薄カーボン支持膜が載置されたグリッドで孔部分が薄い膜で維持される領域に載置された粒子を観察すればよい。しかしながら、このような方法も十分に薄い膜上に載置された粒子を探すことが容易でなくて、適切な位置にある粒子を探して個々の粒子が微細構造を観察することはできるが、ナノ粒子の集合挙動のような２次元及び３次元の構造映像は試片を別に製造しなければならないという不便さが伴われる。

図１は、一般に市販されている商用カーボン支持膜が載置された金属メッシュグリッド（mesh grid）でナノ粒子の試片を製造した場合に獲得される高分解能透過電子顕微鏡映像であって、試料を支持しているカーボン支持膜の妨害により試料映像を区分できないことが分かり、該当映像に対する高速フーリエ変換（fast Fourier transform）結果、獲得したディフラクトグラム（diffractogram）から試料構造に関する信号が支持膜によるディフューズ（diffuse）な非晶質映像信号により非常に妨害を受けていることが分かる。

図２は、一般的なカーボン支持膜グリッドが持つ短所を補完するために作られた商用超薄カーボン支持膜を用いてナノ粒子の高分解能透過電子顕微鏡試片を作った形態を表す。カーボン支持膜に形成された孔領域が開けられず、薄い膜で維持された個所に載置されたナノ粒子を分析することになるが、商用製品に作った場合、試料観察領域が広くなくて、薄い領域に維持された支持膜の厚みが十分に薄くないので、清潔な高分解能構造映像を得ることが非常に困難である。また、このような場合、試料を支持する薄い領域が非常に制限されるため、ナノ粒子の集合挙動を観察するにも適していない。

今まで、前述した事項に基づいて従来技術の問題点を要約すると、下記の通りである。

１）ナノ粒子の構造を高分解能透過電子顕微鏡を用いて観察するには商用超薄カーボン支持膜の厚みが厚い過ぎる。

２）高分解能分析のために商用超薄カーボン支持膜を活用した高分解能透過電子顕微鏡試料は、観察領域が非常に制限的であり、十分に薄い厚みの安静な支持膜が提供できない。

本発明は、上記の問題点を解決するために超薄カーボン支持膜の厚みが試料映像に対する妨害効果が最小化するように十分に薄くなければならず、そのような領域が熱的、機械的に安定に維持されるようにすることを技術的課題とする。

上記の技術的課題を達成するために、本発明に従う超薄カーボン支持膜の製造方法は、高分解能透過電子顕微鏡分析のための超薄カーボン支持膜の製造方法であって、清潔な疏水性スライドガラスを冷たい冷蔵庫や（または、冷凍庫）氷パック上に載置し、上記スライドガラスをピンセットでつかんで、これを大気中に露出させて液滴を形成させる第１段階と、上記液滴が形成されたスライドガラスを溶媒クロロホルムにフォームバー（formvar、あるいはブトバー（butvar））を溶かした溶液中に漬けてから数秒後にこれをつかみ出して、吸湿紙を底に当てて、大気中に垂直に立て置いて乾燥させる第２段階と、上記スライドガラスの上に形成された高分子膜を蒸溜水の表面張力を用いて蒸溜水の水面上に浮かべて置いて、上記蒸溜水の水面の上に載置された高分子膜の上に金属メッシュグリッドの一種であるＣｕグリッド（grid）を載置する第３段階と、パラピンフィルムのような疏水性支持台を使用して、高分子膜を蒸留水から取り出した後、高分子膜を上にし、カーボンコーティングを実施する第４段階と、を含むことを特徴とする。

本発明に超薄カーボン支持膜の形成技術を用いたナノ粒子の高分解能透過電子顕微鏡試片準備の際、商用で市販されている超薄カーボン支持膜を応用した時に比べて下記のような長所を具現することができる。
１）本発明により製造された超薄カーボン支持膜の厚みは商用で市販されている超薄カーボン支持膜に比べてその厚みが１．６倍以上薄いため、高分解能構造分析に格段に有利である。
２）本発明により製造された超薄カーボン支持膜の広さは全体カーボン支持膜領域対比６７±７．６％の領域を占めて、商用で市販されている超薄カーボン支持膜が３２±９．３％に比べてその観察領域が２倍以上広いため、観察に適した試料を探すことが容易であり、ナノ粒子の２、３次元の集合挙動も一つの試片で観察することができるので、作業効率が高い。
３）本発明により製造された超薄カーボン支持膜の厚みの変化は、±３％範囲にあり、このような変化は商用で市販されている超薄カーボン支持膜と類似しているが、試料の絶対厚みが商用で市販されている超薄カーボン支持膜より薄いため、その変化の大きさはより小さい。

本発明は、前述したように、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で多様な変形及び変更が可能である。

以下、添付した図面を参照しつつ本発明に係る超薄カーボン支持膜の製造方法を詳細に説明する。

また、本発明では超薄カーボン支持膜の製造方法を紹介し、この製造方法により得られた超薄カーボン支持膜と代表的な商業製品である米国Ted Pella社の高分解能分析のためのultra-thin carbon film on Cu grid（３００ｍｅｓｈ）製品（以下、‘商用で市販される超薄カーボン支持膜’という）との品質を比較して本発明の優秀性を説明する。

（１）超薄カーボン支持膜の製造方法
カーボン支持膜で広い孔を形成することと、ここに形成される薄い膜の形成は、一般的に知らされた孔があるカーボン支持膜の製造方法を変調して疏水性スライドガラスの上に液滴（water droplet）を形成する段階でなされる。スライドガラスを冷蔵庫や氷パックの上にしばらく置いた後、これを大気中に移せば、大気中でこれを維持する時間に従ってスライドガラスの上に形成される液滴の大きさと分布を調節することができる。一般的に、非常に短い時間の間スライドガラスを大気中で露出するが、本発明ではスライドガラスの上に液滴が形成される大気温度（２０乃至２８℃）及び湿度（３０乃至７０％）範囲で５乃至６０秒の間を維持すると、超薄カーボン支持膜を形成するための適切な大きさの液滴が形成される。勿論、精密な大きさの制御をためには、大気の温度、湿度、及び対流など、工程条件を制御しなければならないが、本実験では比較的大きいホールを形成しなければならず、このホールの上に薄い支持膜が維持されるようにすることが目的であるので、該当条件に対してあまり敏感でない。支持膜の形成のために、０．２５乃至０．５％フォームバー（formvar）を溶解させたクロロホルム（chloroform）溶液を使用したし、カーボンコーティングはカーボンコッター（carbon coater ; DV-502A、Denton Vacuum）を活用して１ｘ１０^−５乃至５ｘ１０^−５ｔｏｒｒの真空雰囲気で１５Ａ以下の電流で２０乃至６０秒でカーボン棒を加熱して実施した。

超薄カーボン支持膜の形成順序を定理すると、下記の通りである。
１）清潔な疏水性スライドガラスを冷たい冷蔵庫や氷パックの上に充分な時間の間載置する。
２）上記スライドガラスをピンセットでつかんで、これを大気中に露出させる。露出時間に従って液滴の大きさが大きくなるが、通常、液滴の直径が２マイクロメートル以下になることが広い超薄カーボン支持膜の形成に好ましい。露出時間は、通常５乃至６０秒で制御されるが、この時の室温は２０乃至２８度（℃）の間であり、室内湿度は３０乃至７０％の間を維持しなければならない。
３）上記の液滴が形成されたスライドガラスを溶媒クロロホルムに０．２５乃至０．５％のフォームバー（formvar、あるいはブトバー（butvar））を溶かした溶液中に漬けてから２乃至１０秒後にこれをつかみ出して、吸湿紙を底に当てて、大気中に垂直に立てて置いて乾燥させる。
４）上記スライドガラスの上に形成された高分子膜は、液滴により数マイクロメートルの孔が形成されるが、孔が開けられず、非常に薄い高分子膜に維持されている。スライドガラスの上に形成された高分子膜を蒸溜水の表面張力を用いて蒸溜水の水面上に浮かべて置く。蒸溜水の水面上に載置された高分子膜の上に金属メッシュグリッドの一種であるＣｕグリッド（grid）を載置する。ここに、パラピンフィルムのような疏水性支持台を使用して、これをつかみ出した後、高分子膜を上にし、カーボンコーティングを実施する。
５）上記カーボンコーティングは、一般的なカーボン及び金蒸着装備を用いて１ｘ１０^−５乃至５ｘ１０^−５ｔｏｒｒの真空雰囲気で５Ａ乃至１５Ａ以下の電流で２０乃至６０秒でカーボン棒を抵抗加熱して実施する。カーボンコーティングの厚みの制御は、白色吸湿紙をコーティング機内に装入してコーティングがなされる間、吸湿紙の色が薄い灰色を帯びる時を基準としたが、これは上記の工程条件範囲で作業者の感覚にあまり敏感ではない。

今までの工程により超薄カーボン支持膜が載置された金属メッシュグリッドを製造することができ、これが高分解能透過電子顕微鏡分析のためのナノ粒子の試料準備に使われる完成品になる。付加的に、カーボンコーティングが形成されない反対側にクロロホルム蒸気を当てることにより、フォームバー（formvar、あるいはブトバー（butvar））と分子膜を除去できるが、本発明の完成品に対する性能の具現は、高分子膜をそのまま維持しても一般の商用で市販されている超薄カーボン支持膜製品より良質の結果が得られる。

（２）超薄カーボン支持膜の特性評価
試料支持膜の性能試験のための試片は、磁性特性を表す酸化鉄ナノ粒子を使用した。製造された超薄カーボン支持膜の上に載置された試料の高分解能映像分析は、超高電圧透過電子顕微鏡（ＨＶＥＭ）（JEM-ARM1300S、JEOL社）を使用したし、カーボン支持膜の厚み変化の分析のための電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）結果とイメージ品質を表すヒストグラム分析のために超高電圧透過電子顕微鏡（JEM-ARM1300S、JEOL）に装着されたポストコラムイメージフィルタ（post column image filter ; HV-GIF、Gatan）を活用した。また、商用で市販されている超薄カーボン支持膜製品とその特性を相互比較した。

本発明により製造された超薄カーボン支持膜と商用で市販される超薄カーボン支持膜との品質を比較するために、同一な酸化鉄ナノ粒子で試料を作って超高電圧透過電子顕微鏡を用いて観察したし、その結果を図３に表した。図３の（ａ）は商用で市販されている超薄カーボン支持膜において、超薄カーボン支持膜が薄いホール（hole）領域がある部分を観察した写真であり、図３の（ｃ）は本発明により製造された超薄カーボン支持膜の結果である。ナノ粒子の高分解能構造分析のための拡大映像観察結果である図３の（ｂ）と（ｄ）との比較により、商用で市販されている超薄カーボン支持膜より自体製造した場合、ナノ粒子に対する高分解能映像において、支持膜による映像妨害が格段に小さいため、ナノ粒子の構造映像を格段に清潔(clear)に結像できることが分かる。該当観察領域に対する電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）を用いた相対厚み（ｔ／λ）の比較から本発明により製造された超薄カーボン支持膜が商用で市販されている超薄カーボン支持膜の場合より１．６倍薄いことと表れた。

商用で市販されている超薄カーボンは、超薄カーボン支持膜を形成した孔領域が上記図３で観察したように狭くて、その分布が少ない一方、本発明により製造された超薄カーボン支持膜は、孔領域が非常に広くて、超薄カーボン支持膜の維持状態が優れるし、ナノ粒子試料の高分解能分析に適するということが分かる。商用で市販されている超薄カーボン支持膜と本発明により製造された超薄カーボン支持膜との間の全カーボン支持膜領域で、超薄カーボン支持膜を形成する試料観察領域を比較した結果を図４に表したが、商用で市販されている超薄カーボン支持膜は全体カーボン支持膜領域の中で、３２±９．３％が超薄カーボン支持膜を形成する領域であったが、自体製造した製品は６７±７．６％が超薄カーボン支持膜を形成する領域であって、本発明により製造された超薄カーボン支持膜が試料を観察できる領域が２倍以上分布することが分かる。

イメージの明るさ及び対比を表すヒストグラム分析を通じて試料映像の品質を表すことができるが、ヒストグラムの幅が狭いほど対比が高くて、大きさが大きいほど明るさは増加する。商用で市販されている超薄カーボン支持膜と本発明により製造された超薄カーボン支持膜とのヒストグラム分析結果を表した図５の結果から、本発明により製造された超薄カーボン支持膜の上に載置された粒子の映像が商用で市販されている超薄カーボン支持膜を使用した場合、対比が高くて、かつ明るい映像を形成するということが分かる。即ち、本発明により製造された超薄カーボン支持膜の厚みが薄いため、試料自体の構造映像を格段によく反映するということを表す。

ナノ粒子の高分解能分析において、支持膜の厚み不均一性も試料映像を妨害する一つの要素であり、支持膜による高分解能映像対比不均一性を引き起こす。一般的に商用で市販されている超薄カーボン支持膜の場合、約±３％の厚み偏差を表す。このような支持膜の厚み偏差は電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）の分析により分かるが、約１０ｅＶ位のスリット（slit）でゼロロス（zero-loss）映像を得て、ファーストプラズモンロスピーク（first plasmon-loss peak）位置にスリット（slit）を移動して、プラズモンロス（plasmon-loss）映像を得た後、試料の相対厚みを表す式t/λ=-ln(1+I₀/I_p）から映像を計算することになると、相対厚み（t/λ）のインテンシティ（intensity）を表す映像を得ることができ、この映像の対比から試料領域の厚み変化が分かる。図６の（ａ）は本発明により製造された超薄カーボン支持膜に対する厚み地図（thickness map）の結果を示すものであり、図６の（ｂ）は商用で市販されている超薄カーボン支持膜と本発明により製造された超薄カーボン支持膜の厚み地図（thickness map）から水平方向のインテンシティプロファイル（intensity profile）を通じて厚み変化を比較した結果である。両方とも、厚み偏差が約±３％範囲にあることが分かる。図６の（ｂ）を見ると、距離に従う厚み変化が本発明により製造された超薄カーボン支持膜の場合、より甚だしく変わるように見えるが、実際の厚みは商用で市販されている超薄カーボン支持膜の場合より１．６倍以下に、さらに薄いため、本発明により製造された超薄カーボン支持膜の厚み偏差絶対値はより小さい。

数ｎｍ大きさのナノ磁性粒子に対する高分解能構造分析と２次元及び３次元集合挙動に対する映像獲得のためには、試料支持膜が薄くて、かつ均一でなければならず、その広さが大きくなければならない。本発明による超薄カーボン支持膜の製造方法から該当条件を満たす試料支持膜を容易に製造することができたのであり、商用で市販されている超薄カーボン支持膜より本発明により製造された超薄カーボン支持膜の特性が優れるということを電子エネルギー損失分光法及びイメージ分析技法により表すことができた。

図７の（ａ）に酸化鉄ナノ粒子が載置された本発明により製造された超薄カーボン支持膜の全体的な形態(HRTEMimage)を表した。超薄カーボン支持膜が形成された孔領域が非常に広くて、かつ薄く維持されているので、ナノ粒子がその上によく配列された形態を示す。以前までは、該２つの作業のためには２つの互いに異なる試料支持台を活用して別に試片を作らなければならない不便さがあったが、本発明の超薄カーボン支持膜形成技術を用いて作ったナノ粒子の高分解能透過電子顕微鏡試料は、個々の粒子に対する高分解能構造映像だけでなく、粒子の集合的な構造までも一つの試料で観察できるので、作業効率が非常に高いということが分かる。例として、図７の（ｂ）は、超薄カーボン支持膜領域で形成された磁性ナノ粒子の３次元集合挙動を表すものであって、これに対する高速フーリエ変換（fast Fourier transform）結果として獲得したディフラクトグラム（diffractogram）（図７の（ｃ））を見ると、これらが六角対称構造（hexagonal symmetry）を持って、よく積層されていることが分かり、このような積層モデルは、図７の（ｄ）のように図式化することができる。以前には、このような粒子の集合挙動を映像化するためには、金属メッシュグリッドの上に形成された孔がないカーボン支持膜を別に利用しなければならなかった。

一般的に市販されている商用カーボン支持膜が載置された金属メッシュグリッド（mesh grid）で作ったナノ粒子試料の高分解能透過電子顕微鏡写真（左側）と該当映像の高速フーリエ変換（fast Fourier transform）映像（右側）である。 一般的に市販されている商用カーボン支持膜が持つ短所を補完するために作られた商用超薄カーボン支持膜を用いてナノ粒子の高分解能透過電子顕微鏡の試片を作った形態である。 高分解能透過電子顕微鏡分析のために商用で市販される超薄カーボン支持膜（ａ）を用いた場合と、本発明により製造された超薄カーボン支持膜（ｃ）を用いて酸化鉄ナノ粒子の試片を作って観察した態様。（ｂ）は（ａ）の矢印で表示された試料観察領域を拡大して高分解能観察を実施した例であり、（ｄ）は（ｃ）の矢印で表示された試料観察領域に対する高分解能観察の例である。 商用で市販される超薄カーボン支持膜と本発明により製造された超薄カーボン支持膜との間の超薄カーボン支持膜形成率の比較である。 商用で市販される超薄カーボン支持膜と本発明により製造された超薄カーボン支持膜を使用してナノ粒子試料を製造して高分解能透過電子顕微鏡分析を実施した時の獲得映像の品質比較（ヒストグラム比較）である。 （ａ）本発明により製造された超薄カーボン支持膜に対する厚み地図（thickness map）具現の例を表し、（ｂ）超薄カーボン支持膜領域に対する商用で市販される超薄カーボン支持膜と本発明により製造された超薄カーボン支持膜との間の支持膜厚み変化の比較である。 （ａ）超薄カーボン支持膜形成技術を用いて作ったナノ粒子の高分解能透過電子顕微鏡試料の全体的な形態であり、（ｂ）超薄カーボン支持膜の上に形成されたナノ粒子の３次元集合挙動の例であり、（ｃ）ナノ粒子の３次元集合挙動映像に対する高速フーリエ変換（fast Fourier transform）結果が得られたディフラクトグラム（diffractogram）であり、（ｄ）ディフラクトグラム（diffractogram）の対称構造を用いてナノ粒子の集合挙動を図式化したモデルである。

Claims (5)

1. 高分解能透過電子顕微鏡分析のための超薄カーボン支持膜の製造方法であって、
   清潔な疏水性スライドガラスを冷たい冷蔵庫や（または、冷凍庫）氷パックの上に載置し、前記スライドガラスをピンセットでつかんで、これを大気中に露出させて液滴を形成させる第１段階と、
   前記液滴が形成されたスライドガラスを溶媒クロロホルムにフォームバー（formvar、あるいはブトバー（butvar））を溶かした溶液中に漬けてから数秒後にこれをつかみ出して、吸湿紙を底に当てて、大気中に垂直に立て置いて乾燥させる第２段階と、
   前記スライドガラスの上に形成された高分子膜を蒸溜水の表面張力を用いて蒸溜水の水面上に浮かべて置いて、前記蒸溜水の水面の上に載置された高分子膜の上に金属メッシュグリッドの一種であるＣｕグリッド（grid）を載置する第３段階と、
   パラピンフィルムのような疏水性支持台を使用して、高分子膜を蒸留水から取り出した後、高分子膜を上にし、カーボンコーティングを実施する第４段階と、
   を含むことを特徴とする超薄カーボン支持膜の製造方法。
2. 前記第１段階の液滴の直径を２マイクロメートル以下の大きさで形成するために、５乃至６０秒の露出時間、摂氏２０乃至２８度の室内温度、３０乃至７０％の室内湿度を維持することを特徴とする請求項１に記載の超薄カーボン支持膜の製造方法。
3. 前記第２段階の溶液は、クロロホルムにフォームバー（または、butvar）を０．２５乃至０．５％溶解させたことを特徴とする請求項１に記載の超薄カーボン支持膜の製造方法。
4. 前記第４段階で、カーボンコーティングは一般的なカーボン及び金蒸着装備を用いて１ｘ１０^−５乃至５ｘ１０^−５ｔｏｒｒの真空雰囲気で５Ａ乃至１５Ａの電流で２０乃至６０秒でカーボン棒を抵抗加熱して実施することを特徴とする請求項１に記載の超薄カーボン支持膜の製造方法。
5. カーボンコーティングの厚みの制御は、白色吸湿紙をコーティング機内に装入してコーティングがなされる間、吸湿紙の色が薄い灰色を帯びる時を基準とすることを特徴とする請求項４に記載の超薄カーボン支持膜の製造方法。