JP2016166868A - イオン液体を用いた透過型電子顕微鏡による錯体の観察方法及び観察用試料 - Google Patents

Abstract

【課題】錯体の結晶をイオン液体と透過型電子顕微鏡を用いて直接定量的に観察することができる方法、並びに、観察用試料を提供する。【解決手段】透過型電子顕微鏡を用いて錯体結晶Ｓを観察するに際し、錯体試料の一部または全体をコリン系イオン液体Ｌあるいはその水溶液に浸してから観察する。また、観察用試料は、透過型電子顕微鏡用の試料基体の上に錯体試料１８が設置され、錯体試料の少なくとも観察面をコリン系イオン液体またはその乾燥物で覆われる。【選択図】図２

Description

本発明は、イオン液体を用いた透過型電子顕微鏡による錯体の観察方法及び観察用試料に関する。

酸化物や金属化合物に比べて柔らかい錯体は、電子顕微鏡観察の際、試料作成のための保護膜蒸着時の損傷や、電子顕微鏡観察時の電子ビームの損傷などで安定的に観察することが困難な場合が多い。
例えばＣｏＦｅプルシアンブルー錯体は、電子線に対し強い物質ではなく、更にはナノサイズの微粒子であるため、その観察は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による結晶の表面観察や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による外形の観察が主体であった。
このため従来、ＣｏＦｅプルシアンブルー錯体など、電子線に対して弱い錯体結晶の原子配列やそれに基づいた構造解析について透過型電子顕微鏡を用いて行うことが望まれている。

他に、結晶内の原子位置等の結晶構造を観察する方法として、粉末Ｘ線回折が行われているが、バルク粉末試料の平均構造を見ているに過ぎないため、結晶内の歪や欠陥を構造解析に基づいて憶測はできていたが、結晶内の局所的な歪や欠陥の定量的な観察はできなかった。

ＣｏＦｅプルシアンブルー錯体は絶縁体であり、電子線によるチャージアップを防ぐため、試料表面に導電性の蒸着膜を形成する必要があるが、試料に対し成膜や試料加工のためのスパッタ操作を長く行うと、熱効果によって試料表面が融解することがあった。また、透過型電子顕微鏡によって観察する際、電子線を長く照射すると、錯体試料の結晶そのものが壊れ、破裂してしまう問題があった。
特に、低温でＣｏＦｅプルシアンブルー錯体試料に電子線を照射すると直ちに錯体結晶が壊れる問題がある。この原因は、電子線照射によって結晶内の結晶水が熱せられ、蒸発する際に結晶が破壊されることが原因と考えられる。

ところで、従来から、パターンが形成された半導体基板の試料を観察する方法の一例として、走査型電子顕微鏡を用い、半導体基板のパターンをイオン液体で覆い、パターンの帯電を抑制しつつ観察する方法が知られている（特許文献１参照）。
また、生体試料を走査型電子顕微鏡により観察する場合、チャージアップの問題を回避するために、カチオンおよびアニオンから構成されるイオン液体を試料全体に含浸させて観察する方法が知られている（特許文献２参照）。

特開２０１４−０９２４９６号公報 国際公開第２００７／０８３７５６号

以上の背景技術に鑑み本発明者は、電子線に弱い錯体の結晶構造について透過型電子顕微鏡を用いて安定的に観察できる手法について研究した。
錯体において絶縁性のものは、電子顕微鏡にて観察する場合にチャージアップの防止が必須であるので、前記従来技術のイオン液体に着目し、透過型電子顕微鏡を用いて錯体を観察する際にイオン液体を利用する方法が有望であると考えた。
先の特許文献１、２には、適用するイオン液体としてイミダゾリウム塩類、ピリジニウム塩類などのアンモニウム系、ホスホニウム系などの陽イオンと、臭化物イオンやトリフラートなどのハロゲン系、あるいはホウ素系などの陰イオンとの組み合わせのイオン液体が種々開示されている。
このため、特許文献１、２に記載された系列のイオン液体を用いて錯体を覆い、透過型電子顕微鏡観察を試みたが、いずれのイオン液体を用いて観察しても電子線によって錯体が早期に損傷を受け、安定的に観察できないことが判明した。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みなされたものであって、錯体の結晶をイオン液体と透過型電子顕微鏡を用いて直接定量的に観察することができる方法の提供、並びに、その観察の際に用いる観察用試料の提供を目的とする。
また、本発明は、錯体の結晶の原子配列などの構造解析について透過型電子顕微鏡を用いて観察できる方法の提供とその観察の際に用いる試料の提供を目的とする。

本発明は、前記課題を解決する手段として、以下の構成を有する。
（１）本発明は、透過型電子顕微鏡を用いて錯体試料を観察するに際し、錯体試料の一部または全体をコリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液に浸してから観察することを特徴とする。
透過型電子顕微鏡を用いて錯体を観察する場合、錯体が絶縁体である場合はチャージアップを防止するために錯体の周囲を導電体で覆う必要がある。ここで錯体試料をイオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液で覆うならば、チャージアップの問題を回避できる。また、コリン系のイオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液で錯体試料を覆うことで電子線の照射に耐え、破壊し難い錯体試料にすることができる。錯体試料の結晶に結晶水を含む場合、コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液で覆っておけば電子線を照射しても結晶水の蒸発を抑制することができ、結晶水を含む錯体を破壊することなく観察できる。
コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液は真空環境などにおいても蒸発し難いため、電子顕微鏡による観察に耐えて錯体試料を保護できるとともに、コリン系イオン錯体は電子線の透過に影響し難いために、電子線による錯体試料の透過観察の際、鮮明な観察像を得ることができる。

（２）本発明において、前記コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を観察前に乾燥することが好ましい。
コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を乾燥することで錯体試料の周囲を覆う被覆層を形成することができ、錯体試料の保護ができる。
コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を乾燥させた被覆層で錯体試料を被覆することで透過型電子顕微鏡電子線に耐えるようになる。
（３）本発明において、前記錯体試料を金属製のグリッドの上に載置し、前記錯体試料を覆うように前記コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を前記グリッド上に滴下してから透過型電子顕微鏡を用いて観察することが好ましい。
透過型電子顕微鏡観察を行う場合に使用する試料台となるグリッドに錯体試料を設置し、その上にイオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を滴下することで錯体をイオン液体で覆った試料を簡単に作製できる。

（４）本発明において、前記コリン系イオン液体として、コリンラクテートを用いることができる。
錯体試料を覆ってチャージアップを防止し、電子線透過によっても試料の破壊を生じないイオン液体としてコリンラクテートを用いることができる。コリンラクテートのイオン液体を錯体試料の被覆用として用いるならば、錯体結晶を観察する時の映像が鮮明であり、錯体結晶の格子解析、元素位置の変動や転移観察が可能となる。

（５）本発明において、前記錯体試料としてＣｏＦｅプルシアンブルー錯体を用いることができる。
ＣｏＦｅプルシアンブルー錯体は、２３５Ｋ以下の低温と室温においてＦｅ原子とＣｏ原子のスピンが異なる状態となり、磁性を発現しない状態となるか、磁性を発現する状態となるか、などの物理特性が変化する。また、低温域において光の照射によってもＦｅ原子とＣｏ原子のスピン状態が変化する。
これらＦｅ原子とＣｏ原子のスピンの状態に応じ、錯体結晶においてＦｅ原子あるいはＣｏ原子がどのような状態を呈しているのか、透過型電子顕微鏡を用いて直接観察が可能となる。このため、錯体結晶の内部において格子欠陥の存在、電荷移動スピン転移などがどのように影響して磁性発現や磁性消失に繋がるか研究することができる。このため、本発明の観察方法を適用することで、透過型電子顕微鏡を用いて従来不可能であった錯体結晶内部における格子欠陥の状態、電荷移動スピン転移などの観察が直にできるようになる。

（６）前記コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を乾燥して被覆層とすることができる。
コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液の乾燥物からなる被覆層で覆うことにより、表面の導電性を確実に向上でき、透過型電子顕微鏡による観察時のチャージアップを確実に防止できる。

（７）本発明の錯体試料は、透過型電子顕微鏡用の試料基体の上に錯体試料が設置され、該錯体試料の少なくとも観察面がコリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液の乾燥物で覆われたことを特徴とする。
透過型電子顕微鏡を用いて錯体を観察する場合、錯体が絶縁体である場合はチャージアップを防止するために錯体の周囲を導電体で覆う必要がある。ここで錯体試料をイオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液で覆うならば、チャージアップの問題を回避して透過型電子顕微鏡による観察ができるようになる。

また、コリン系のイオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液で錯体試料を覆うことで電子線の照射に耐え、破壊し難い錯体試料にすることができる。錯体試料の結晶に結晶水を含む場合、コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液で覆っておけば電子線を照射しても結晶水の揮発を抑制することができ、結晶水を含む錯体を破壊することなく透過型電子顕微鏡で観察できる。
コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液は真空環境などにおいても揮発し難いため、電子顕微鏡による観察に耐えて錯体試料を保護するとともに、コリン系イオン錯体は電子線の透過に影響し難いために、電子線による錯体試料の透過観察の際、良好な観察像を得ることができる。

（８）本発明において、前記コリン系イオン液体がコリンラクテートであることが好ましい。
錯体試料を覆ってチャージアップを防止し、電子線透過によっても試料の破壊を生じないイオン液体としてコリンラクテートを用いることができる。コリンラクテートのイオン液体を錯体試料の被覆用として用いるならば、錯体結晶を観察する時の映像が鮮明であり、錯体結晶の格子解析、元素位置の変動や転移観察が可能となる。
（９）本発明において、前記錯体試料がＣｏＦｅプルシアンブルー錯体であることが好ましい。

本発明によれば、錯体試料の一部または全体をコリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液で覆った状態で透過型電子顕微鏡により観察するので、電子線を照射した場合にイオン液体が導電性を確保し、帯電によるチャージアップを起こすことなく錯体試料の観察ができる。また、イオン液体は真空中でも殆ど揮発しないので、透過型電子顕微鏡観察する場合の真空環境であってもイオン液体で錯体試料を確実に保護することができ、結晶内部に結晶水を含む錯体試料であっても結晶水を蒸発させることなく観察できる。よって、透過型電子顕微鏡による錯体の構造解析ができる。

更に、コリン系イオン液体で錯体試料を保護することで、チャージアップすることのない状態で結晶水を含む錯体結晶であっても真空雰囲気において電子線を照射して結晶構造を破壊することなく構造解析が確実にできるようになる。また、コリン系イオン液体を用いることで低温環境下、例えば２１０Ｋなどの低温環境下であっても支障なく錯体の観察ができる。このため、常温と低温の間で原子配列の変化や相転移などを生じて物性が変化する錯体の透過型電子顕微鏡観察による構造解析が可能となる。
従って、従来は透過型電子顕微鏡観察できなかった錯体の原子配列変化や相転移などの物理現象を解析できるようになる効果を奏する。

本発明の実施に用いる透過型電子顕微鏡の全体構成を示す略図。 （Ａ）は錯体結晶にマイクロピペットでイオン液体を滴下する状態を示す斜視図、（Ｂ）は錯体結晶をイオン液体で覆った錯体試料に電子線を照射した状態を示す斜視図。 （Ａ）はＫ_０．３２Ｃｏ[Ｆｅ（ＣＮ）_６]_０．７７・３．６Ｈ_２Ｏなる組成式で示されるＣｏＦｅプルシアンブルー錯体の基本的結晶構造を示す斜視図、（Ｂ）は同錯体のスピン状態が変化した後の結晶構造を示す斜視図。 （Ａ）は同錯体結晶の室温における基本結晶構造時のＣｏとＦｅの電荷について示す説明図、（Ｂ）は同錯体結晶の低温におけるスピン状態変化時のＣｏとＦｅの電荷について示す説明図。 （Ａ）は同錯体結晶の室温における透過型電子顕微鏡写真の一例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）に示す錯体結晶について倍率を上げて撮影した透過型電子顕微鏡写真の一例を示す図、（Ｃ）は（Ａ）に示す錯体結晶について更に倍率を上げて撮影した透過型電子顕微鏡写真の一例を示す図、（Ｄ）は（Ｃ）に示す組織の画像を解析して逆フーリエ変換し格子情報を取り出した状態を示す解析図、（Ｅ）は（Ｄ）の解析結果の一部を取り出して原子配列を模式化した解析図。 同錯体結晶の常温と低温の間での相変化とスピンの変化状態を透過型電子顕微鏡により観察した結果を対照して示す図。 （Ａ）は同錯体結晶の透過型電子顕微鏡観察により得られた原子配列状態を示す組織図、（Ｂ）は同写真の一部を拡大して隣接原子間の位置を示す図。 （Ａ）は２３５Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長の分布状態を示す解析図、（Ｂ）は２５０Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長の分布状態を示す解析図、（Ｃ）は２８０Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長の分布状態を示す解析図、（Ｄ）は３００Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長の分布状態を示す解析図。 （Ａ）は２３５Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長のガウシアン分布を示す解析図、（Ｂ）は２５０Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長のガウシアン分布を示す解析図、（Ｃ）は２８０Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長のガウシアン分布を示す解析図、（Ｄ）は３００Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長のガウシアン分布を示す解析図。 ２３５Ｋにおける同錯体結晶表面の隣接する９つの視野角範囲においてＩＭ相における短コヒーレンス構造の分布状態を示す解析図。 （Ａ）は２３５Ｋと２５１Ｋにおける同錯体結晶の高スピンコヒーレンス構造サイズ分布を示すグラフ、（Ｂ）は２３５Ｋにおける平均コヒーレンス構造サイズと高スピン原子数の関係を示す図、（Ｃ）は２５１Ｋにおける平均コヒーレンス構造サイズと高スピン原子数の関係を示す図、（Ｄ）は２３５Ｋにおける高スピン原子の八面体位置原子数分布を示す、（Ｅ）は２５１Ｋにおける高スピン原子の八面体位置原子数分布を示す図。

「第一実施形態」
以下に、本発明の第一実施形態について、図面を適宜参照しながら説明する。
図１は本発明に係る錯体観察方法の実施に用いる透過型電子顕微鏡の一例を示す全体構成図であり、図１に示す透過型電子顕微鏡Ａは、円筒状の筐体１の上部に電子銃２を備え、該電子銃２の下方に照射レンズ３、４を備え、それらの下方に試料ホルダー５、対物レンズ６、中間レンズ７、投射レンズ８を備え、筐体１の底部に設けられた蛍光板９と撮像装置１０を備えている。これらのレンズや蛍光板を備えた透過型電子顕微鏡Ａは一般的な構成であり、本発明の観察方法において、用いる透過型電子顕微鏡の構造に特別な要求はなく、一般的な構造の透過型電子顕微鏡を使用することができる。

透過型電子顕微鏡Ａの筐体１において、試料ホルダー５の周囲には、試料ホルダー５の試料ステージ５ａを水平方向に駆動する駆動機構１１、１２が設けられている。
透過型電子顕微鏡Ａにおいて電子銃２から電子線を放出させ、試料ステージ５ａに保持させた錯体試料を透過させた後に複数のレンズ系で拡大し、蛍光板９に電子線を到達させ、ＣＣＤカメラなどの撮像装置１０で蛍光板９における投影画像を撮像することにより試料の拡大画像を得ることができる。

本実施形態にあっては、試料ステージ５ａにＣｕからなるマイクログリッド構造の試料保持部材１３が着脱自在に装着され、この試料保持部材１３の上に観察対象の錯体の結晶Ｓが設置される。
図２（Ａ）に示すように錯体の結晶Ｓを試料保持部材１３の上に設置したならば、錯体の結晶Ｓを覆うようにマイクロピペット１５でイオン液体Ｌを錯体の結晶Ｓの周囲に散布し全体を乾燥させる。
イオン液体Ｌの散布と乾燥により試料保持部材１３上の結晶Ｓは図２（Ｂ）に示すようにイオン液体からなるドーム状の被覆層１６により覆われる。図２（Ａ）、（Ｂ）においては図面の簡略化のためにマイクログリッド構造の保持部材１３を単純な円板形状に示している。

なお、マイクログリッド構造の保持部材については、その表面に導電性カーボンコーティングを施したものを用いている。

被覆層１６を形成した錯体試料１８を図１に示す透過型電子顕微鏡Ａの試料ステージ５ａにセットし、この試料ステージ５ａを備えた試料ホルダー５を透過型電子顕微鏡Ａにセットして筐体１の内部を所定の真空度に調節し、電子銃２から電子線を放出し、錯体試料１８を透過させ、対物レンズ６、中間レンズ７、投射レンズ８などのレンズ系で電子線を拡大して蛍光板９に投射し、撮像装置１０により蛍光板９に描かれた像を撮像することで錯体結晶Ｓの拡大画像を得ることができる。錯体結晶Ｓの表面は導電性を有するイオン液体を乾燥させた被覆層１６で覆われているので、電子銃２からの電子線を照射した場合であっても、図２（Ｂ）に示すように電荷が金属製の試料保持部材１３側に移動できるので透過型電子顕微鏡Ａを用いてチャージアップすることなく試料観察ができる。

本実施形態において観察対象とする錯体結晶Ｓとは、一例として、Ｋ_０．３２Ｃｏ[Ｆｅ（ＣＮ）_６]_０．７７・３．６Ｈ_２Ｏなる組成式で示されるＣｏＦｅプルシアンブルー錯体の結晶である。図３（Ａ）にこの組成のＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶の基本構造を示す。
ＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶は、シアノ基を介しＣｏとＦｅがＮａＣｌタイプの結晶構造をとって結合している錯体結晶であり、温度操作と光照射により多重安定相（非平衡相）が出現する結晶として知られている。これは図３（Ｂ）に示すような格子欠陥を有するとともに、電荷移動スピン転移により、図４（Ａ）に示す低スピン状態と図４（Ｂ）に示す高スピン状態の間で相転移が生じることで説明される。
このようなＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶は一般的には平均粒径４００〜５００ｎｍなどの微粒子状粉末として市販されている。
本実施形態では、ＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶のドメインと多重安定相の相関を研究する目的から、透過型電子顕微鏡Ａにて観察を行うこととした。

透過型電子顕微鏡Ａで試料観察を行うためには、錯体結晶をマイクログリッド構造の試料保持部材５ａに設置し、試料ステージ５ａに試料保持部材５ａごと取り付け、試料ホルダー５を透過型電子顕微鏡Ａにセットして筐体１の内部を減圧して電子線を透過させる作業を行う必要がある。また、透過型電子顕微鏡Ａの観察において錯体結晶が絶縁体の場合、チャージアップを防止するために錯体結晶を導電性の保護膜で覆う必要がある。
ところが、錯体結晶は内部に結晶水を有しているために、カーボン膜などの導電性の保護膜を形成するためにコーティング装置の真空容器に収容して真空引きすると結晶水が容易に蒸発して結晶構造が容易に破壊される。
そこで、本実施形態では、イオン液体Ｌを乾燥させた被覆層１６にて錯体結晶Ｓを覆うこととした。

イオン液体Ｌの被覆層１６は、真空などの減圧雰囲気下において蒸気圧がほとんど無く、カーボン膜を成膜する真空雰囲気下あるいは透過型電子顕微鏡の試料設置位置の真空環境下であっても被覆層１６が破れることはないので、被覆層１６の内側に存在する錯体結晶Ｓの結晶水も真空雰囲気下において蒸発することなく結晶構造が維持される。

ここで本実施形態において用いるイオン液体として具体的には、コリン系のイオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒の混合物が好ましい。イオン液体とは、イオンのみからなる液体と定義され、蒸気圧が低く、難燃性であり、熱安定性、電気化学的安定性が高く、電気伝導性が高く、物質を良好に溶解するなどの特質を有している。イオン液体はカチオンおよびアニオンから構成され、カチオンとアニオンの構造や組み合わせにより自由に分子設計が可能であるので様々なイオン液体が市場に提供されている。
これらの中で本実施形態で用いるコリン系イオン液体は、カチオンとしてコリン、アニオンとしてカルボン酸、ジカルボン酸、芳香族カルボン酸、あるいは、乳酸（ラクテート）のいずれかを用いたものを適用できる。
アニオンとしてのカルボン酸を用いたものは、コリンフォーメート（choline fomate）、コリンアセテート（choline acetate）、コリンプロピオネート（choline propionate）、コリンオクサレート（choline oxalate）、コリンマロネート（choline malonate）、コリンサシネート（choline succinate）、コリンフォスフェート（choline phosphate）、コリンベンゾエート（choline benzoate）、コリンラクテート（choline lactate）などがあり、他に、コリンレブリネート（choline levulinate）、コリンピルベート（choline pyruvate）などもあるので、これらの中から選択して１種または２種以上を適宜用いることができる。
これらの中でも、組成式[（ＣＨ_３）_３ＮＣ_２Ｈ_４ＯＨ][ＣＨ_３Ｃ（ＯＨ）ＣＯ_２]で示されるコリンラクテートのイオン液体を用いることが好ましい。

これらのイオン液体Ｌを原液のまま用いることもできるが、イオン液体に溶媒を添加した混合物として用いることもできる。イオン液体に添加する溶媒としては水、アルコールなどの溶媒を適宜用いることができる。
コリン系イオン液体について、１０％〜５０％濃度の水溶液として更にこの水溶液を５〜１００倍程度に希釈して用いることができる。イオン液体の原液のままでは錯体結晶Ｓを覆う被覆層１６が濃くなり過ぎて電子線の透過に影響を与えるおそれがあるため、上述の範囲で溶媒で希釈することが好ましい。上述の範囲内でも、１０％〜５０％濃度の水溶液として更にこの水溶液を５〜２０倍程度に希釈して用いることが好ましく、５〜１０倍程度に希釈することがより好ましい。

前記イオン液体Ｌを希釈した水あるいは溶媒との混合物に対し、コリンジハイドロゲンフォスフェート、塩化カルシウムなどの添加剤を配合しても良いし、Ｐｔナノ粒子を添加して導電性を向上させることもできる。

前記イオン液体Ｌを滴下後、乾燥させて保護層１６とすることが好ましい。
乾燥の条件は、例えば、６０℃のオーブンに入れ、１０分間乾燥させる条件を採用できるが、例えば６０℃以外の他の温度や他の乾燥時間を選択しても良く、自然乾燥などの条件で乾燥しても良い。
ただし、自然乾燥で飛びきらない溶媒が残留した場合、電子顕微鏡内の真空度を悪くするおそれがあり、電子顕微鏡内部を汚染するおそれがあるため、常温より高い温度で強制的に乾燥させることが好ましい。

錯体を試料ステージ５ａのＣｕグリッドに乗せ、上からイオン液体を散布し、イオン液体Ｌを乾燥させることで被覆層１６で覆った錯体試料１８を得ることができるので、この試料ステージ５ａを備えた試料ホルダー５を透過型電子顕微鏡Ａにセットすることで、錯体結晶Ｓの透過型電子顕微鏡Ａによる観察が可能となる。
錯体結晶Ｓをイオン液体の乾燥物の保護層１６で覆っているので、透過型電子顕微鏡Ａにおいて真空状態で電子線を透過させて観察したとしても、錯体結晶Ｓの結晶水が蒸発することがなく、また、電子線により錯体試料１８がチャージアップすることもないので、先鋭な観察画像を得ることができる。
このため、従来は不可能であった結晶水を含む錯体結晶Ｓの結晶構造について透過型電子顕微鏡Ａを用いて詳細に観察できるようになる。
また、錯体結晶Ｓを覆っているイオン液体からなる被覆層１６は、電子線に耐え、真空環境下で揮発することなく、更に２１０Ｋ程度の低温まで耐えるので、低温で相転移する錯体結晶の観察にも適用できる。

例えば、ＣｏＦｅプルシアンブルー錯体は、常温域ではＦｅが３価のイオン状態、Ｃｏが２価のイオン状態をとり、高スピン状態で磁性を有するが、２２５Ｋ以下の温度域ではＦｅが２価のイオン状態、Ｃｏが３価のイオン状態をとり、低スピン状態となって磁性を失う。このため、常温から徐々に錯体結晶Ｓの温度を下げていって２３０Ｋ、２２０Ｋ程度まで冷却すると、ＦｅイオンとＣｏイオンの状態が変化して結晶が相転移するので、この相転移する際の状態を透過型電子顕微鏡Ａで観察できるようになる。
例えば、錯体結晶の内部でＦｅの原子とＣｏの原子のコヒーレンス長が変化すると物性的にＦｅ原子の配置とＣｏ原子の配置がどのように変化して相転移するのか、透過型電子顕微鏡Ａにより逐一観察することができるようになる。
従来、錯体に対するこのような観察は不可能であったために、相転移がどのような状況の元、発生していたかを直に観察できなかったが、本実施形態のイオン液体Ｌを用いた錯体試料１８を用いることで、このような観察について透過型電子顕微鏡Ａを用いて実施できるようになる。
この効果は結晶解析の分野において極めて大きな効果であり、本実施形態の技術を用いることで錯体結晶の研究が飛躍的に前進する可能性がある。

なお、ＣｏＦｅプルシアンブルー錯体およびその類似体は、セシウム吸着剤、蓄電池の正極材料、光スイッチング磁石、エレクトロクロミック素子などの種々の応用面で期待されている材料である。このため、セシウム吸着効果、電極特性、光スイッチング特性、発光特性の研究などにおいて、本発明方法の実施により原子レベルでの結晶歪や結晶内応力を割り出すことができるようになり、これら用途の研究を飛躍的に前進させる可能性を有する。

なお、本実施形態ではイオン液体を乾燥させた被覆層１６で錯体結晶Ｓを覆った試料を用いたが、イオン液体の乾燥物である被覆層１６の上に必要に応じて導電性カーボンの保護膜を更に形成することもできる。また、錯体結晶をカーボンの保護膜で覆った上でイオン液体の乾燥物である被覆層で覆っても良い。
なおまた、観察対象とする錯体結晶は、イオン液体Ｌの乾燥膜により覆うことができる結晶であれば、いずれの結晶でも良い。例えば、ヘテロ構造を有するコア・シェル型錯体（Ｒｂ_０．２４Ｃｏ［Ｆｅ（ＣＮ）_６］_０．７４＠Ｋ_０．１０Ｃｏ［Ｃｒ（ＣＮ）_６］_０．７／ｎＨ_２Ｏの結晶、あるいは、Ｒｂ_０．２４Ｃｏ［Ｆｅ（ＣＮ）_６］_０．７４、Ｋ_０．１０Ｃｏ［Ｃｒ（ＣＮ）_６］_０．７ 、Ｒｂ_０．５Ｃｏ［Ｆｅ（ＣＮ）_６］_０．８・ｚＨ_２Ｏ＠Ｋ_０．１Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）_６］_０．７・ｚＨ_２Ｏの結晶、Ｒｂ_０．５Ｃｏ［Ｆｅ（ＣＮ）_６］_０．８・ｚＨ_２Ｏ＠Ｒｂ_０．１Ｎｉ［Ｃｒ（ＣＮ）_６］_０．７・ｚＨ_２Ｏの結晶など、従来技術では透過型電子顕微鏡での直接観察が困難であった種々の結晶の観察に適用することができる。
以下に本発明の実施例について説明し、本発明の効果を検証する。

「実施例１」
Ｋ_０．３２Ｃｏ[Ｆｅ（ＣＮ）_６]_０．７７・３．６Ｈ_２Ｏなる組成式で示されるＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶粉末を用意し、透過型電子顕微鏡試料作成用のマイクログリッド構造の銅メッシュプレート上にプラスチックの薄膜（支持膜）を張り、その上に錯体結晶粉末を散布した。錯体結晶粉末を覆う程度の容量のイオン液体をマイクロピペットを用いてメッシュプレート上に滴下し、イオン液体の水溶液の液滴で錯体結晶粉末を覆い、これを６０℃のオーブンに入れ１０分間乾燥させ、錯体結晶粉末をドーム状の被覆層で覆った。
この観察用試料を透過型電子顕微鏡の試料ステージにセットし、透過型電子顕微鏡により室温観察した。
イオン液体は[（ＣＨ_３）_３ＮＣ_２Ｈ_４ＯＨ][ＣＨ_３Ｃ（ＯＨ）ＣＯ_２]なる組成式で表記されるコリンラクテートを用いた。具体的には、コリンラクテートの１０体積％水溶液を水で１０倍に希釈し、マイクロピペットに収容して用いた。

図５（Ａ）は透過型電子顕微鏡により２００ｋＶで撮像したＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶の拡大写真であり、ＮａＣｌ構造の結晶体の格子模様を捕らえることができた。
また、同試料の更なる拡大図を図５（Ｂ）、図５（Ｃ）に示す。図５（Ａ）に示す太線の縮尺は５０ｎｍ、図５（Ｂ）の太線の縮尺は２０ｎｍ、図５（Ｃ）の太線の縮尺は２ｎｍである。
また、図５（Ｃ）の写真画像のバックグランド信号を逆フーリエ変換して結晶の格子情報のみを取り出し、Ｆｅ原子とＣｏ原子の配列状態を捕らえた解析図を図５（Ｄ）、（Ｅ）に示す。図５（Ｄ）、（Ｅ）に示すように原子間距離は約５Åであると推定でき、一般的なＸ線回折法から知られているＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶の格子間距離と同等であることを定量的に確認できた。
このように従来透過型電子顕微鏡によって観察できなかった錯体結晶について、透過型電子顕微鏡で直接観測し、錯体結晶格子内の原子の並びを観察し、格子間距離を定量的に確認できたことは、本発明により初めて達成できた成果であり、その効果は大きい。

現状、数１０００種類のイオン液体が開発されており、イオン液体としてコリンラクテートを用いたのは、上述のプラスチックの支持膜との相性を考慮した結果である。イオン液体の中にはフッ素を含む母体からなるものがあるが、フッ素を含む系のイオン液体では支持膜を溶かすおそれがあるので、本実施例では使用していない。また、水で希釈する関係から、疎水性のイオン液体より、親水性のイオン液体が望ましいと考えられる。

前記実施例で用いた１０体積％、１０倍希釈のコリンラクテート型イオン液体に代えて、５０体積％、希釈無しのコリンラクテート型イオン液体を用いて先の実施例と同等の手順で錯体試料を作成し透過型電子顕微鏡にて観察した結果、先の実施例と同様にＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶の鮮明な画像を得ることができた。
このため、コリンラクテート型イオン液体を透過型電子顕微鏡の試料観察に用いる場合、１０体積％の１０倍希釈として１体積％のイオン液体が利用可能であり、５０体積％のイオン液体が利用可能であるので、１体積％〜５０体積％の広い濃度範囲のイオン液体を利用できることがわかる。
また、コリンラクテート型イオン液体を原液のまま用いて先の実施例と同等の手順で錯体試料を作成し、透過型電子顕微鏡で観察したところ、濃度の高いイオン液体の影響で錯体結晶の格子の縞模様を観察できなかった。
このため、透過型電子顕微鏡の試料作成用としてイオン液体を用いる場合、イオン液体の水溶液状態が望ましく、その濃度は１体積％〜１０体積％が良好な範囲であると思われる。

次に先のイオン液体の１０体積％水溶液を用い、これにコリンジハイドロゲンフォスフェートを添加して水で１０倍希釈し、これを用いて錯体試料を作成し、透過型電子顕微鏡にて観察したところ、先の実施例と同等の鮮明な透過型電子顕微鏡写真を得ることができた。

錯体試料をＫ_０．３２Ｃｏ[Ｆｅ（ＣＮ）_６]_０．７７・３．６Ｈ_２Ｏなる組成式で示されるＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶粉末からＫＣｏＦｅ（ＣＮ）_６粉末に代えて同様な試験を試みた。この結果、コリンラクテート型イオン液体５０体積％水溶液を用いた錯体試料とコリンラクテート型イオン液体５０体積％水溶液に塩化カルシウムを添加した試料のいずれにおいても先の実施例と同等の鮮明な透過型電子顕微鏡写真を得ることができた。

「比較例」
比較例として、コリンラクテート型イオン液体に代えて、ＢｕＭｅＩｍＢＦ_４なる組成式で示される第２のイオン液体を水で５倍希釈あるいは１０倍希釈してそれぞれ錯体試料を作成し、透過型電子顕微鏡で観察した。
５倍希釈の第２のイオン液体を用いた錯体試料は４〜５秒ほど結晶の縞模様を確認できたが、その後は模様が消失し、それ以降は観察できなかった。１０倍希釈の前記第２のイオン液体を用いた錯体試料は縞模様を観察できなかった。
次にTributyloctylphoshpnium thiocyanate [P4,4,48][SCN]と称されるイオン液体の原液とTributyloctylphoshpnium bis(trifluoromethanesulfonyl) amide [P4,4,48][Tf2N]と称されるイオン液を用いてそれぞれ錯体試料を作成した。
[P4,4,48][SCN]と称されるイオン液体を用いて上述の実施例と同等条件でＣｏＦｅプルシアンブルー錯体試料を作製した場合は３０秒程度で格子模様の観察ができなくなった。
[P4,4,48][Tf2N]と称されるイオン液体の原液を用いて上述の実施例と同等条件でＣｏＦｅプルシアンブルー錯体試料を作製した場合、６日間は観察ができた。これは電子線による結晶へのダメージの発生によるものと推定できる。

「実施例２」
図６はＣｏＦｅプルシアンブルー錯体を１００Ｋ〜３００Ｋの間で温度変化させた場合のスピン転移状態の変位と２３０Ｋ、２５０Ｋ、３００Ｋの各状態における錯体結晶組織の透過型電子顕微鏡写真を対照して示す。冷却は錯体試料をドライアイスまたは液体窒素もしくは液体ヘリウムを用いて冷却した。
２３５Ｋ、２５０Ｋ、３００Ｋのいずれの温度においても鮮明にＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶の格子模様を捕らえることができた。なお、イオン液体の凝固点温度約２１０Ｋよりも高温であれば、測定は可能と思われるが、この例で良好な測定が可能であったのは２２０Ｋからであった。

図７はＣｏＦｅプルシアンブルー錯体試料について、１５００Ｋの倍率でＣｏ原子とＦｅ電子の配列状態と結合長さを可視化し、隣接原子間の結合長を観測した写真である。
図７（Ｂ）に示すように最隣接原子の結合長の状態がわかり、４つのサイトに囲まれているＦｅ−Ｃｏ結合長の平均値を求めることができ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃｏ原子の結合角度も求めることができる。なお、図７（Ｂ）において黒くプロットした点は電子線が透過して蛍光板のイメージングプレート（ＩＰ）が感光した部分を示す。結晶の対称性から、感光した位置の重心同士の距離と電子線を吸収して濃い灰色に写った原子の重心同士の距離は等しくなる。このため、４つの黒くプロットした点の間に存在する濃い灰色に写っている部分に原子が存在しこれらの距離を計測することで原子の重心同士の距離がわかる。図７（Ｂ）では原子が存在する濃い灰色の部分を４つ例示して○印で囲み、それらのうち、左右に隣接する○印の間の矢印が原子間距離を示す。

図８は２３５Ｋ、２５０Ｋ、２８０Ｋ、３００Ｋにおける錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長の分布状態を示す解析図である。２３５Ｋでは領域の殆ど全面が低スピン状態であるが、２５０Ｋ、２８０Ｋ、３００Ｋと温度が上昇するにつれて高スピン状態の領域が広い面積を占めるようになると解析できた。

図９は２３５Ｋ、２５０Ｋ、２８０Ｋ、３００Ｋにおける同錯体結晶一面３０ｎｍ^２あたりのＣｏＦｅ結合長のガウシアン分布を示すグラフである。
これらの図７、図８、図９に示すように２３５Ｋ、２５０Ｋ、２８０Ｋ、３００Ｋのそれぞれの温度におけるＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶面において結合長の分布を定量的かつ具体的に解明できたのは、今回初めての成果であり、錯体結晶の相転移状態の研究を飛躍的に前進させる効果を得ることができた。

図１０は、２３５ＫにおけるＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶表面の隣接する９つの視野角範囲においてＩＭ相における短コヒーレンス構造の分布状態を示すもので、この図から高スピン状態を示す短コヒーレンス構造部分が互いに隣接して発生していることがわかった。

図１１（Ａ）〜（Ｅ）は２３５Ｋと２５１ＫにおけるＣｏＦｅプルシアンブルー錯体結晶の高スピンコヒーレンス構造のサイズ分布を示す。
図１１（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、高スピン状態の原子の数とコヒーレンス構造の平均サイズがわかり、錯体結晶の相転移構造の解析を飛躍的に前進させる結果を得ることができた。
以上の説明で明らかにしたように、イオン液体で錯体結晶を覆って透過型電子顕微鏡の観察試料とすることにより、２１０Ｋ近傍の低温から常温まで、従来は観察不可能であった電子線に弱い錯体結晶の原子配列と格子の状態を明確に定量分析することができるようになり、錯体結晶の構造解析に飛躍的な進歩を得ることができた。

次に、他のコリン系イオン液体を用い、実施例１の条件と同等の条件で同等の錯体結晶に対し、透過型電子顕微鏡により室温観察した。
用いたイオン液体は、コリンプロピオネートの１％水溶液と５％水溶液、コリンレブリネートの５％水溶液、コリンピルベートの１％水溶液と５％水溶液である。
いずれの水溶液においても、錯体結晶の画像を観察することができた。

Ａ…透過型電子顕微鏡、Ｌ…イオン液体、Ｓ…錯体結晶、１…筐体、２…電子銃、３、４…照射レンズ、５…試料ホルダー、６…対物レンズ、７…中間レンズ、８…投射レンズ、９…蛍光板、１０…撮像装置、１１、１２…試料ステージ駆動機構、１３…試料保持部材、１６…被覆層、１８…錯体試料。

Claims (9)

1. 透過型電子顕微鏡を用いて錯体試料を観察するに際し、錯体試料の一部または全体をコリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液に浸してから観察することを特徴とする錯体の観察方法。
2. 前記コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を観察前に乾燥することを特徴とする請求項１に記載の錯体の観察方法。
3. 前記錯体試料を金属製のグリッドの上に載置し、前記錯体試料を覆うように前記コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を前記グリッド上に滴下してから透過型電子顕微鏡を用いて観察することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の錯体の観察方法。
4. 前記コリン系イオン液体として、コリンラクテートを用いることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の錯体の観察方法。
5. 前記錯体試料としてＣｏＦｅプルシアンブルー錯体を用いることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の錯体の観察方法。
6. 前記コリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液を乾燥して被覆層とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の錯体の観察方法。
7. 透過型電子顕微鏡用の試料基体の上に錯体試料が設置され、該錯体試料の少なくとも観察面がコリン系イオン液体あるいはコリン系イオン液体と溶媒との混合液の乾燥物で覆われたことを特徴とする観察用試料。
8. 前記コリン系イオン液体がコリンラクテートであることを特徴とする請求項７に記載の観察用試料。
9. 前記錯体試料がＣｏＦｅプルシアンブルー錯体であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の観察用試料。