JP2019045409A - 試料解析方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】試料中に水素を導入しながら、電子線装置を用いて、試料表面を高分解能かつ経時的に解析することが可能な試料解析方法を提供する。【解決手段】試料11の表面11aに電子線を入射し、表面11aから放出される電子およびX線から選択される1種以上を検出する電子線装置100を用いた試料の解析方法であって、電子線装置100の内部において、表面11aが水素含有雰囲気に曝された状態で、表面11aに電子線を入射する工程を備える、試料解析方法。【選択図】 図1
Description
本発明は試料解析方法に関する。
高強度鋼の開発において、水素により強度および靭性が劣化する水素脆化が大きな問題となっている。また、水素吸蔵合金の開発において、水素の吸蔵・放出を繰り返すと吸蔵可能な水素量が減少し、性能が劣化することが問題となっている。しかし、水素脆化および水素吸蔵合金の性能劣化に関係する材料組織的な変化は定かでなく、水素脆化および水素吸蔵合金の性能劣化のメカニズム解明のためには、水素を金属材料に導入しながら経時的に観察を行うことが望まれる。
非特許文献1では、電解液中で電解チャージを行いながら、原子間力顕微鏡(AFM)により、試験片表面の形状を観察する方法が提案されている。
A. Barnoush et al., Direct observation of hydrogen-enhanced plasticity in super duples stainless steel by means of in situ electrochemical methods, Scripta Materialia, 62(2010) 242
ところで、近年、本発明者らが研究を重ねた結果、金属材料の水素脆化および水素吸蔵合金の性能劣化は、材料中に水素が侵入することによる歪み分布変化、水素化物形成、アモルファス化、相変態等が原因であることが徐々に明らかになってきた。
それに伴い、材料中に水素が導入された際の上記の物理現象の経時的変化を、高分解能かつ広域において解析する必要性が生じてきた。そして、材料中で生じるこれらの物理現象を解析する際に不可欠なのが、走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)に代表される電子線装置である。
すなわち、材料中に水素を導入しながら、電子線装置を用いて、当該材料表面を高分解能で解析する必要があると認識するに至った。
非特許文献1において用いられるAFMは、材料の表面形状を高精度で解析することは可能であるが、歪み分布変化、水素化物形成、アモルファス化、相変態等の解析を行うことはできない。また、非特許文献1では、電解液中で電解チャージを行うため、高真空度に維持される電子線装置に非特許文献1の技術をそのまま適用することは不可能である。さらに、電解液との化学反応により、材料表面が変質する可能性もあり好ましくない。
本発明は、試料中に水素を導入しながら、電子線装置を用いて、試料表面を高分解能かつ経時的に解析することが可能な試料解析方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の試料解析方法を要旨とする。
(1)試料の表面に電子線を入射し、前記表面から放出される電子およびX線から選択される1種以上を検出する電子線装置を用いた試料の解析方法であって、
前記電子線装置の内部において、前記表面が水素含有雰囲気に曝された状態で、前記表面に前記電子線を入射する工程を備える、
試料解析方法。
前記電子線装置の内部において、前記表面が水素含有雰囲気に曝された状態で、前記表面に前記電子線を入射する工程を備える、
試料解析方法。
(2)前記水素含有雰囲気における水素分圧が10Pa以上である、
上記(1)に記載の試料解析方法。
上記(1)に記載の試料解析方法。
(3)前記試料が金属材料である、
上記(1)または(2)に記載の試料解析方法。
上記(1)または(2)に記載の試料解析方法。
(4)前記電子線のエネルギーが200eV以上である、
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の試料解析方法。
上記(1)から(3)までのいずれかに記載の試料解析方法。
(5)前記電子線の照射電流が10pA以上である、
上記(1)から(4)までのいずれかに記載の試料解析方法。
上記(1)から(4)までのいずれかに記載の試料解析方法。
(6)前記試料に負のバイアス電圧を印加する、
上記(1)から(5)までのいずれかに記載の試料解析方法。
上記(1)から(5)までのいずれかに記載の試料解析方法。
本発明によれば、試料中に水素を導入しながら、電子線装置を用いて、試料表面を高分解能かつ経時的に解析することが可能になる。
本発明の一実施形態に係る試料解析方法について、図1を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る試料解析方法に用いられる電子線装置100の概略構成を示す図である。電子線装置100には、例えば、SEMが含まれる。
まず、本発明の一実施形態に係る試料解析方法に用いられる電子線装置100の構造について説明する。図1に示すように、電子線装置100の内部は、試料室10、中間室20および電子銃室30に区画されている。
試料室10、中間室20および電子銃室30のそれぞれには、真空排気部40が設けられている。真空排気部40としては、例えば、ターボ分子ポンプ、拡散ポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ、油回転ポンプ、ドライポンプ等の真空ポンプを用いることができる。
試料の解析を行うに際しては、試料室10内に試料11が載置される。試料11の種類については特に制限は設けず、例えば、金属、半導体、絶縁体、生体試料等が対象となる。また、試料11の形状についても特に制限はなく、板状、粒状、棒状等、試料室10内に載置可能な形状であればよい。本実施形態においては、試料11として板状の金属材料を用い、水素脆化が生じる際の金属材料表面の経時的変化を解析する場合を例に説明する。
また、試料室10には、水素供給部12および真空計13が備えられており、水素ガスを試料室1内に所望の圧力まで供給することができる。水素供給部12としては、例えば、流量調整可能なガスバルブ等を用いればよい。また、真空計13としては、ピラニ真空計または隔膜真空計等が用いられる。
さらに、試料室10には、検出器14が備えられている。検出器14は、試料11の表面11aに電子線が入射された際に、表面11aから放出される電子およびX線から選択される1種以上を検出する。電子には、二次電子、反射電子、オージェ電子等が含まれる。また、検出器14には、二次電子検出器(SE検出器)、反射電子検出器(BSE検出器)、電子後方散乱回折検出器(EBSD検出器)、半導体検出器(EDS検出器)等が含まれる。
中間室20は、小孔20a,20bを介して、それぞれ試料室10および電子銃室30と連通されている。中間室20を試料室10および電子銃室30の間に設け、差動排気システムを構成することにより、試料室10内に水素ガスを供給しても、電子銃室30内を高真空度に維持することが可能になる。図1に示す例では、中間室20は1つであるが、複数備えていてもよい。
電子銃室30内には、電子線を照射するための電子銃31が備えられている。電子銃31の種類については特に制限はなく、例えば、電界放射型またフィラメント型の電子銃を用いることができる。電子銃室30内には、図示しない電子系レンズおよび走査コイルが備えられており、これらを制御することで、電子線を試料11の表面11aにおいて走査する。
次に、本発明の一実施形態に係る試料解析方法について説明する。まず、試料室10内に試料11を載置する。そして、試料室10、中間室20および電子銃室30の内部を高真空度の状態に維持する。この時の真空度は10−9〜10−3Paとすることが好ましい。
その後、試料室10内に水素を供給し、試料11の表面11aが水素含有雰囲気に曝された状態で、表面11aに電子線を入射する。そして、表面11aから放出される電子およびX線から選択される1種以上を検出することによって、試料11の表面形状、結晶方位、元素分布等を解析する。
この時、試料11の表面11aの近傍の雰囲気中の存在する水素分子が、電子線によって水素原子に解離または水素イオンに電離することで、雰囲気中の水素分圧が低い場合であっても、水素が表面11aから試料中に効率的に導入されるようになる。このように、試料表面への電子線の入射により、試料表面の解析と同時に、試料中へ水素を導入することが可能となる。
なお、上記の例では、水素の供給後に電子線を入射しているが、電子線を入射した状態で水素の供給を開始してもよい。また、表面解析の途中で水素を排気してもよい。
試料中に十分な量の水素を導入するためには、水素含有雰囲気における水素分圧は10Pa以上とすることが好ましい。水素分圧は100Pa以上であることがより好ましい。一方、水素分圧が過剰であると、電子線が水素分子によって散乱し、試料の解析が困難になるおそれがある。そのため、水素分圧は3kPa以下とすることが好ましく、1.5kPa以下とすることがより好ましい。
また、電子線のエネルギーが低すぎると、水素分子による電子線の散乱確率が高くなるだけでなく、電子線のプローブ径が大きくなり、高分解能の解析結果が得られなくなるおそれがある。そのため、電子線のエネルギーは200eV以上とすることが好ましく、1keV以上とすることがより好ましい。
一方、電子線のエネルギーが高すぎると、試料11の表面11aから放出される電子が減少するおそれがあるため、50keV以下とすることが好ましく、30keV以下とすることがより好ましい。
電子線によって水素分子を効率的に解離または電離するためには、電子線のエネルギーは100eV〜30keVの範囲とすることが好ましく、100eV〜10keVとすることがより好ましい。すなわち、高分解能の解析と水素分子の効率的な解離または電離とを両立するためには、電子線の1〜10keVの範囲内に調整することが好ましい。
さらに、電子線の照射電流が低いと、試料11の表面11aから放出される電子またはX線の強度が検出するのに不十分となるおそれがある。そのため、電子線の照射電流は10pA以上とすることが好ましく、100pA以上とすることがより好ましい。
一方、電子線の照射電流が高すぎると、電子線のプローブ径が大きくなり、高分解能の解析結果が得られなくなるおそれがある。そのため、電子線の照射電流は1.5μA以下とすることが好ましく、10nA以下とすることがより好ましい。
試料中により効率的に水素を導入するためには、試料11に負のバイアス電圧を印加することが好ましい。これにより、電離した水素イオンが表面11aに電気的に引き寄せられるようになり、より多くの水素が試料内に導入されるようになる。負のバイアス電圧を印加する方法については特に制限はなく、試料に直接電圧を印加してもよいし、正の電極を試料に対向するように配置してもよい。
なお、試料11に印加する負のバイアス電圧により電子線は減速するため、バイアス電圧が高すぎると、電子線が表面11aまで到達できなくなる。そのため、試料11に負のバイアス電圧を印加する場合には、その値は電子線の加速電圧を上回らない範囲に調整する必要がある。
また、試料11の表面11aに入射される電子線および表面11aから放出される電子の水素分子による散乱を低減するためには、それらの水素含有雰囲気中での飛行距離を短くすることが望まれる。そのため、中間室20の小孔20aから試料11の表面11aを通って、検出器14に到達するまでの総飛行距離を50mm以下とすることが好ましい。総飛行距離は、試料11および検出器14の配置を調整することで上記の範囲内とすることが可能である。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
20nm直径の金微粒子を蒸着したカーボンを試料として用いた。試料の金蒸着面のサイズは4mm×4mmである。この試料をSEM内の試料室に載置した後、試料室内を2×10−4Paまで真空引きをし、続いて、99.99%の純度の水素ガスを3kPaの圧力まで段階的に試料室に導入した。各圧力において、BSE検出器で金微粒子が画像化できるか測定を行った。試料には20Vの負のバイアス電圧を印加した。なお、電子線の試料室への入り口となる小孔からBSE検出器までの電子の飛行距離は50mmとした。また、電界放射型の電子銃を用いた。
表1〜3に、水素ガスの圧力が10Pa、500Paおよび3kPaのときの測定結果をそれぞれ示す。電子が水素分子に散乱され、検出器に十分な電子が到達できない場合には、画像にノイズが発生した。画像が取得でき金微粒子が判別できたデータは「◎」で示す。画像は取得できたもののややノイズが多かったデータは「△」、画像は取得できたものの空間分解能が低く金微粒子を判別できなかったデータは「○」で示す。
表1〜3の結果から明らかなように、水素ガスの圧力が3kPaであっても、画像を取得でき20nm直径の金粒子を判別できた。また、走査コイルへの水素ガスの影響は無く、2mm×2mmの広領域の画像を取得できた。このように、3kPaまで試料室に水素ガスを導入しても、試料表面を、20nmの高空間分解能、かつ2mm×2mmの広領域で画像化できることが確認された。
表4に示す化学組成のNi基合金に、1000℃の真空炉で粗粒化熱処理を施した後、10mm×10mm×1mmの試料を機械加工で採取した。熱処理後の粒径は500μmであった。この試料の1つの表面を、過塩素酸および酢酸の混液で電解研磨し、加工層を除去した。この試料を試料室に載置した後、試料室内を2×10−4Paまで真空引きし、続いて、純度99.99%の水素ガス、または純度99.99%のヘリウムガスを500Paの圧力まで段階的に試料室に供給した。
各ガス種、各圧力おいて、BSE検出器で試料の表面(電解研磨面)を2分間おきに画像化した。電子線のエネルギーは10keV、照射電流は10nAとした。検出器の位置および電子銃の種類、試料のバイアス電圧に関しては実施例1と同じである。なお、このNi基合金は、試料中に水素を導入すると、歪み分布が変化し、表面にすべり線が出現することが知られている。
図2に、電子線を走査してから10分経過後のすべり線の密度と、ガスの圧力との関係を示す。すべり線の密度は、結晶粒内の100μm×100μmの領域あたりのすべり線の総長さで表わす。水素ガスでは、10Pa以上の圧力において、画像にすべり線が認められ、圧力を増加させるとすべり線の密度が増加した。ヘリウムガスでは、500Pa以下の圧力において、すべり線は認められなかった。
なお、ヘリウムと水素との混合ガスを導入した場合、水素の分圧が10Pa以上であれば、すべり線が認められた。また、電子線を走査せずに、単に水素ガスを試料室に導入しただけでは、すべり線は認められなかった。
以上のように、10Pa以上の分圧の水素ガス中で電子線を走査することで、試料中に水素が導入されることが確認された。
本発明によれば、試料中に水素を導入しながら、電子線装置を用いて、試料表面を高分解能かつ経時的に解析することが可能になる。
10.試料室
11.試料
11a.表面
12.水素供給部
13.真空計
14.検出器
20.中間室
20a,20b.小孔
30.電子銃室
31.電子銃
40.真空排気部
100.電子線装置
11.試料
11a.表面
12.水素供給部
13.真空計
14.検出器
20.中間室
20a,20b.小孔
30.電子銃室
31.電子銃
40.真空排気部
100.電子線装置
Claims (6)
- 試料の表面に電子線を入射し、前記表面から放出される電子およびX線から選択される1種以上を検出する電子線装置を用いた試料の解析方法であって、
前記電子線装置の内部において、前記表面が水素含有雰囲気に曝された状態で、前記表面に前記電子線を入射する工程を備える、
試料解析方法。 - 前記水素含有雰囲気における水素分圧が10Pa以上である、
請求項1に記載の試料解析方法。 - 前記試料が金属材料である、
請求項1または請求項2に記載の試料解析方法。 - 前記電子線のエネルギーが200eV以上である、
請求項1から請求項3までのいずれかに記載の試料解析方法。 - 前記電子線の照射電流が10pA以上である、
請求項1から請求項4までのいずれかに記載の試料解析方法。 - 前記試料に負のバイアス電圧を印加する、
請求項1から請求項5までのいずれかに記載の試料解析方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017170992A JP2019045409A (ja) | 2017-09-06 | 2017-09-06 | 試料解析方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019074468A (ja) * | 2017-10-18 | 2019-05-16 | 新日鐵住金株式会社 | 試料解析方法 |
-
2017
- 2017-09-06 JP JP2017170992A patent/JP2019045409A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
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