JP6645809B2 - Microscopic analysis method of fine particles and analyzer used for microscopic analysis method of fine particles - Google Patents

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  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

本発明は、微粒子の顕微分析方法、および該微粒子の顕微分析方法に用いる分析装置に関する。   The present invention relates to a microscopic analysis method for fine particles and an analyzer used for the microscopic analysis method for fine particles.

産業革命以降、例えば、金属等の材料に関しては、マイクロメートルのオーダーまたはそれ以上の大きさの粒子が有する特性を利用する研究および開発が行われ、社会の発展に貢献してきた。   Since the industrial revolution, for example, with respect to materials such as metals, research and development utilizing characteristics of particles having a size on the order of micrometers or more have been carried out, and have contributed to the development of society.

また、戦後急速に発展した半導体材料は、億を超えるトランジスターを有する回路を構成し、スーパーコンピュータ、液晶テレビ、スマートフォンといった製品を生み出すに至った。
上記半導体材料の大きさは、厚さ方向、すなわち、基板の垂直方向にはナノメートルのオーダーであるが、基板の面内方向に関してはセンチメートルのオーダーである。
In addition, semiconductor materials that have rapidly developed after the war have constituted circuits having more than 100 million transistors, and have produced products such as supercomputers, liquid crystal televisions, and smartphones.
The size of the semiconductor material is on the order of nanometers in the thickness direction, that is, in the direction perpendicular to the substrate, but is on the order of centimeters in the in-plane direction of the substrate.

上記金属等の材料の原子位置を測定する場合や、半導体材料の面内方向の原子位置を測定する場合、上記材料の大きさが、測定対象となる原子間距離、すなわちオングストロームのオーダーに比して充分大きいため、上記材料においては実質的に無限個の原子が並んだ無限の周期性を有するものとみなして測定することができる。   When measuring the atomic position of a material such as the above-mentioned metal or the like, or measuring the atomic position of a semiconductor material in the in-plane direction, the size of the above-mentioned material is smaller than the interatomic distance to be measured, that is, in the order of angstrom. Therefore, the material can be measured assuming that the material has an infinite periodicity in which substantially infinite atoms are arranged.

近年においては、無限個の原子が並んでいるとみなすことができず、周期性が有限であると見ざるを得ない大きさの材料について研究・開発が盛んにおこなわれている。   In recent years, research and development have been actively conducted on materials having a size that cannot be regarded as having an infinite number of atoms arranged in a row and inevitably have a finite periodicity.

上記周期性が有限である材料、所謂、有限的周期性を有する材料、例えばナノ粒子は、その大きさであるが故に、上記無限の周期性を持つとみなせる材料とは比べものにならない特性や、まったく異なった特性を発現することがある。 The material having the finite periodicity, a material having a finite periodicity, such as nanoparticles, because of its size, characteristics that are incomparable with the material that can be considered to have the infinite periodicity, They may exhibit completely different properties.

そのような、ナノ粒子としては、例えば、光が照射されることでナノ粒子特有の表面反応が生じ、有害な有機化合物および微細物を浄化できる光触媒や、環境負荷が低い燃料電池用触媒等、21世紀の社会発展に不可欠な材料を挙げることができる。   As such nanoparticles, for example, a surface reaction peculiar to nanoparticles occurs by irradiation with light, a photocatalyst capable of purifying harmful organic compounds and fine substances, a fuel cell catalyst having a low environmental load, and the like. Materials that are indispensable for social development in the 21st century can be mentioned.

このような、ナノ粒子は、無限の周期性を有するものであるとみなすことはできないが、粒子内、すなわち、ナノメートルオーダーの領域内においては周期性を有しているとみなすことができる。   Such a nanoparticle cannot be regarded as having an infinite periodicity, but can be regarded as having a periodicity within the particle, that is, within a region on the order of nanometers.

ナノメートルオーダーの領域での観察および分析を行う方法としては、(1)原子レベルで行える観察および分析手法、(2)有限の周期性を捉えられる観察および分析手法を挙げることができる。   As a method of performing observation and analysis in a region on the order of nanometers, there are (1) an observation and analysis method that can be performed at an atomic level, and (2) an observation and analysis method that can capture finite periodicity.

上記(1)の原子レベルで行える観察および分析手法に対応する技術としては、非特許文献1および非特許文献2に開示されている。   Non-Patent Documents 1 and 2 disclose techniques corresponding to the observation and analysis methods that can be performed at the atomic level in the above (1).

非特許文献1では、観察手段として、収差補正されたHigh−Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy (HAADF STEM)を用いている。
そして、HAADF STEM観察を低加速電圧下で行い、得られたイメージをシミュレーションで較正することにより、ナノ粒子の3次元像を原子が明瞭に見えるレベルでの可視化を達成している。
In Non-Patent Document 1, an aberration-corrected High-Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy (HAADF STEM) is used as an observation unit.
The HAADF STEM observation is performed under a low accelerating voltage, and the obtained image is calibrated by simulation, thereby achieving a three-dimensional image of the nanoparticles at a level at which atoms can be clearly seen.

また、非特許文献2では、Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM)が用いられている。
そして、STEMの回転軸を重心に合わせると共に、Equally Sloped Tomography (EST)アルゴリズムを用いて撮影誤差を補正することにより、2.4Åの分解能を達成して、原子レベルの観察を可能としている。
In Non-Patent Document 2, Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) is used.
Then, the rotation axis of the STEM is adjusted to the center of gravity, and an imaging error is corrected by using an Equally Sloped Tomography (EST) algorithm, thereby achieving a resolution of 2.4 ° and enabling observation at the atomic level.

なお、原子レベルで行える観察および分析手法において、収差補正により分解能を向上させる試みは絶えず行われており、例えば特許文献1を挙げることができる。   In the observation and analysis methods that can be performed at the atomic level, attempts to improve the resolution by correcting aberrations are constantly being made. For example, Patent Document 1 can be cited.

さらに、上記(2)に対応する技術としては、電子回折図形観察を挙げることができる。   Further, as a technique corresponding to the above (2), there is an electron diffraction pattern observation.

特開2010−153320号公報JP 2010-153320 A

Sandra Van Aert1, Kees J. Batenburg, Marta D. Rossell, Rolf Erni, and Gustaaf Van Tendeloo. Three−dimensional atomic imaging of crystalline nanoparticles, nature09741, 2011Sandra Van Aert1, Kees J. et al. Battenburg, Martin D. See Rossell, Rolf Erni, and Gustaaf Van Tenderoo. Three-dimensional atomic imaging of crystalline nanoparticles, nature09741, 2011 M. C. Scott, Chien−Chun Chen, Matthew Mecklenburg, Chun Zhu, Rui Xu, Peter Ercius, Ulrich Dahmen, B. C. Regan, and Jianwei Miao. Electron tomography at 2.4 angstrom resolution, nature10934, 2011M. C. Scott, Chien-Chun Chen, Matthew Mecklenburg, Chun Zhu, Rui Xu, Peter Ercius, Ulrich Dahmen, B.S. C. Regan, and Jianwei Miao. Electron tomography at 2.4 angstrom resolution, nature 10934, 2011.

しかしながら、上記非特許文献1および非特許文献2に記載の方法は、いずれもSTEMを用いて像を得ているため、単に、ナノ粒子を構成する個々の原子位置を特定できるに過ぎず、ナノメートルオーダーの領域内における有限的な周期性が反映されたものではない。   However, the methods described in Non-patent Document 1 and Non-patent Document 2 each obtain an image using a STEM, and therefore can only specify the position of each atom constituting a nanoparticle. It does not reflect the finite periodicity in the area of the meter order.

したがって、非特許文献1および非特許文献2の分析方法においては、波数空間に基づく材料特性(物性)、すなわち、有限的な周期性と得られた像とを対応付けた上で、ナノ粒子の大きさや形状、さらには、ナノ粒子の物理特性や、化学特性および化学反応を充分議論できるとはいえない。   Therefore, in the analysis methods of Non-Patent Documents 1 and 2, the material properties (physical properties) based on the wave number space, that is, the finite periodicity and the obtained image are associated with each other, The size and shape, as well as the physical properties, chemical properties and chemical reactions of the nanoparticles cannot be fully discussed.

つまり、波数空間に基づいた解釈ができていない以上、量子論を根底とした正準共役に基づいて運動量空間を念頭においた解析は困難である。   That is, since the interpretation based on the wave number space cannot be performed, it is difficult to analyze the momentum space based on the canonical conjugate based on the quantum theory.

したがって、上記従来技術は、有限的周期性によって生じる、バンド構造の規則的変曲や屈曲で生じる電気伝導度の劇的な変化や、化学反応のラジカル化等の解析を可能にするものではなく、有限的な周期性を解析することで、物質科学の発展に直接寄与するものではない。   Therefore, the above prior art does not enable analysis of dramatic changes in electrical conductivity caused by regular inflection or bending of the band structure caused by finite periodicity, radicalization of chemical reactions, etc. Analysis of finite periodicity does not directly contribute to the development of material science.

また、上記(2)の電子回折図形観察はマイクロメートルオーダーの粒子の回折図形を得ることができるものであるが、従来は測定試料が無限の周期性を有するものであるとみなし、ラウエ電子回折サブスポットを無視してメインスポットにより原子位置を特定していた。
したがって、上記(1)の方法と同様に有限的な周期性を解析することを志向するものではなかった。
The electron diffraction pattern observation of the above (2) can obtain a diffraction pattern of particles on the order of micrometers, but conventionally, it is assumed that the measurement sample has infinite periodicity, and the Laue electron diffraction Atomic positions were specified by the main spot, ignoring the sub-spot.
Therefore, it is not intended to analyze a finite periodicity as in the method (1).

このように、クラスター化やアモルファス化が進行し、原子配置の有限的周期性が崩れかかったナノ粒子の分析や、上記ナノ粒子の分析結果に基づいた物理物性および化学特性、並びにそれら物理物性および化学特性の時間発展に基づいた解析は、現在の最新の科学技術を以ってしても達成できるとはいえないのが実情である。   As described above, clustering and amorphization have progressed, and the analysis of nanoparticles in which the finite periodicity of the atomic arrangement is about to collapse, and the physical properties and chemical properties based on the analysis results of the above nanoparticles, and those physical properties and Analysis based on the time evolution of chemical properties cannot be said to be achievable even with the latest science and technology.

本発明は、このような従来技術の有する課題および将来展望を鑑みてなされたものであり、周期性が有限である、所謂、有限的周期性を有するナノ粒子等の微粒子の解析を可能とし、今後開発されるであろう、種々のナノ粒子等の微粒子の解析に寄与することを目的とする。
また、クラスター化やアモルファス化が進行し、有限的な周期性さえも崩れかかった微粒子の解析をも可能にすることを目的とする。
The present invention has been made in view of the problems and future prospects of such conventional technology, and has a finite periodicity, enabling analysis of fine particles such as so-called nanoparticles having finite periodicity, The purpose is to contribute to the analysis of various fine particles such as nanoparticles that will be developed in the future.
It is another object of the present invention to enable analysis of fine particles in which clustering and amorphousization have progressed and even finite periodicity has begun to collapse.

さらに、21世紀における分析技術の進歩は、量子ビーム、すなわち、放射光、電子線、中性子線の活用に依るところが大きく、昨今の原子レベルの構造解析は放射光を用いて行うことが当然となっており、本発明は、上記放射光を含む各種量子ビーム分析結果と連携した分析および解析を可能とすることを目的とする。   Furthermore, the progress of analytical technology in the 21st century largely depends on the utilization of quantum beams, ie, synchrotron radiation, electron beams, and neutron beams, and it is natural that recent atomic-level structural analysis is performed using synchrotron radiation. Accordingly, it is an object of the present invention to enable analysis and analysis in cooperation with various quantum beam analysis results including the above-mentioned synchrotron radiation.

すなわち、本発明は、所謂、有限的周期性を有するナノ粒子等の微粒子の形状、さらには有限的周期性が崩れかかった微粒子の形状を、原子レベルの分解能で各面方位毎に予測・解析することを可能にするだけでなく、上記微粒子の、物理特性、化学特性および化学反応までも解き明かすことができる形状解析が可能な微粒子の顕微分析方法、該顕微分析方法に用いる分析装置、および上記顕微分析方法に用いる分析装置の顕微動作方法を提供することにある。   In other words, the present invention predicts and analyzes the shape of fine particles such as so-called nanoparticles having finite periodicity, and the shape of fine particles having finite periodicity that is about to collapse, at the atomic level resolution for each plane orientation. Microanalysis method of fine particles capable of shape analysis capable of solving even physical properties, chemical properties and chemical reactions of the fine particles as well as the fine particles, an analyzer used for the microscopic analysis method, and An object of the present invention is to provide a method of operating a microscope of an analyzer used for the method of analyzing a microscope.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ラウエ関数が有する本質的な性質に着目し、無限の周期性を有するとみなせる材料を解析する際には、無視されていたラウエ電子回折サブスポットを敢えて利用することで、ナノ粒子等の微粒子の有限的な周期性を考慮した顕微観察を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, focused on the essential properties of the Laue function, and ignored when analyzing a material that can be regarded as having infinite periodicity. The inventor has found that the use of the Laue electron diffraction subspot can realize microscopic observation in consideration of the finite periodicity of fine particles such as nanoparticles, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は前記知見に基づくものであり、本発明の微粒子の顕微分析方法は、
(1)平行ビームを微粒子に照射するビーム照射工程と、
上記微粒子に対する撮影角度及び/又はエバルト球の大きさを変化させて複数の電子回折図形を撮影する検出工程と、
上記電子回折図形の回折スポットを解析して微粒子の形状を決定する配列確認工程と、
を含み、
上記配列確認工程が、上記微粒子の大きさ及び形状を予測した入力モデルと、上記複数の電子回折図形のラウエサブスポットの配列とを比較し、上記入力モデルを修正して上記微粒子の形状を決定するものであることを特徴とする。
(2)上記微粒子が、クラスター部分及び/又はアモルファス部分を有することを特徴とする
(3)上記配列確認工程が、入力モデルと上記複数の電子回折図形のメインスポットおよびラウエサブスポットの配列とを比較することを特徴とする
(4)上記入力モデルを、有限周期部の格子定数、空間群、部分原子座標を用いて構築することを特徴とする
(5)上記配列確認工程が、原子位置確定処理を含むものであり、
上記原子位置確定処理が、フーリエ変換及びフーリエ逆変換を用いて原子の位置を決めるものであることを特徴とする。
(6)上記配列確認工程が、ラウエサブスポットの強度解析を含むことを特徴とする。
(7)収束電子回折系で微粒子の撮影角度を確認した後、平行電子ビーム系で電子回折図形を撮影するものであることを特徴とする。
That is, the present invention is based on the above findings, the microscopic analysis method of the fine particles of the present invention,
(1) a beam irradiation step of irradiating fine particles with a parallel beam;
A detection step of imaging a plurality of electron diffraction patterns by changing the imaging angle and / or the size of the Ewald sphere for the fine particles;
An array confirmation step of analyzing the diffraction spot of the electron diffraction pattern to determine the shape of the fine particles,
Including
The arrangement confirming step compares an input model predicting the size and shape of the fine particles with an array of Laue sub spots of the plurality of electron diffraction patterns, and determines the shape of the fine particles by correcting the input model. It is characterized by that.
(2) The fine particles have a cluster portion and / or an amorphous portion .
(3) In the arrangement confirmation step, the input model is compared with the arrangement of the main spots and Laue sub-spots of the plurality of electron diffraction patterns .
(4) The input model is constructed using a lattice constant of a finite periodic part, a space group, and partial atomic coordinates .
(5) The sequence confirmation step includes an atomic position determination process,
The atomic position determination processing is characterized in that the position of an atom is determined using a Fourier transform and an inverse Fourier transform.
(6) The arrangement confirmation step includes an analysis of the intensity of the Laue sub spot.
(7) An electron diffraction pattern is photographed by a parallel electron beam system after confirming a photographing angle of fine particles by a convergent electron diffraction system.

また、本発明の微粒子の顕微分析装置は、
)試料に平行電子線を照射する電子線照射部と、中間レンズと、投影レンズと、0次反射を遮断する0次反射遮断機構と、メインスポット遮断機構と、試料のラウエサブスポットを検出する検出器とを備え、
上記電子線照射部が、電子線を絞り込む収束レンズを有し、該収束レンズが、1.0mrad未満の開き角を形成可能であることを特徴とする。
Further, the microscopic analyzer for fine particles of the present invention,
( 8 ) An electron beam irradiation unit for irradiating the sample with a parallel electron beam, an intermediate lens, a projection lens, a zero-order reflection blocking mechanism for blocking zero-order reflection, a main spot blocking mechanism, and a Laue sub-spot of the sample. And a detector for detecting
The electron beam irradiator has a converging lens for converging an electron beam, and the converging lens can form an opening angle of less than 1.0 mrad.

本発明によれば、メインスポット間のラウエサブスポット解析し微粒子の形状を確認することとしたため、原子配列が無限の周期性を有するとみなすことができない、所謂、有限的周期性を有するナノ粒子等の微粒子の形状を、各面方位毎に原子レベルの分解能で予測および解析することが可能となり、該形状解析により物理特性、化学特性および化学反応を解き明かすことが可能となる。
さらには、ナノメートルオーダーの有限的な領域内においても周期性が崩れかかったナノ粒子等の微粒子の形状を原子レベルの分解能で予測および解析することが可能となる。
According to the present invention, since the Laue sub-spot analysis between the main spots is performed to confirm the shape of the fine particles, the atomic arrangement cannot be regarded as having an infinite periodicity, that is, nanoparticles having a so-called finite periodicity It is possible to predict and analyze the shape of fine particles such as at the atomic level resolution for each plane orientation, and to clarify physical properties, chemical properties and chemical reactions by the shape analysis.
Furthermore, even within a finite region on the order of nanometers, it becomes possible to predict and analyze the shape of fine particles such as nanoparticles whose periodicity is about to be destroyed at an atomic level resolution.

本発明の第1の実施形態に係るラウエ関数を示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph illustrating a Laue function according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るナノビーム電子ビーム光学系を表した模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a nanobeam electron beam optical system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るラウエスポットを模式的に示したグラフ図とその投影図である。It is the graph which showed the Laue spot concerning a 1st embodiment of the present invention typically, and the projection figure. 本発明の第2の実施形態に係るラウエスポット配列解析のフローチャート図である。It is a flow chart figure of Laue spot arrangement analysis concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の他の第2の実施形態に係るラウエスポット配列解析のフローチャート図である。It is a flow chart figure of Laue spot arrangement analysis concerning other 2nd embodiments of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係るナノ粒子形状および電子回折図形を表した模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a nanoparticle shape and an electron diffraction pattern according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係るナノ粒子形状および電子回折図形を表した模式図である。FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a nanoparticle shape and an electron diffraction pattern according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の第5の実施形態に係るフローチャートおよびナノ粒子形状を表した模式図である。It is the schematic diagram showing the flowchart and nanoparticle shape which concern on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係るグラフ図である。It is a graph figure concerning a 6th embodiment of the present invention. 本発明の第7の実施形態に係る模式図およびグラフ図である。It is a schematic diagram and a graph diagram concerning a seventh embodiment of the present invention. 本発明の他の第7の実施形態に係る模式図およびグラフ図である。It is the schematic diagram and graph diagram which concern on other 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施形態に係る模式図である。It is a mimetic diagram concerning an 8th embodiment of the present invention. 実施例を示す写真図である。It is a photograph figure showing an example. 比較例を示す写真図である。It is a photograph figure which shows a comparative example. 実施例を示す写真図およびスペクトル図である。It is a photograph figure and a spectrum figure showing an example. 実施例を示す写真図およびスペクトル図(拡大図)である。It is a photograph figure and a spectrum figure (an enlarged view) showing an example.

<微粒子の顕微分析方法>
本発明の微粒子の顕微分析方法について説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。本発明は、従来、無視又は排除されていた微弱ラウエサブスポットに着目した点を特徴としている。
<Microscopic analysis of fine particles>
The microscopic analysis method for fine particles of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiments. The present invention is characterized by focusing on a weak Laue subspot that has been ignored or excluded in the past.

[原理]
ナノメートルオーダーの領域内において周期性を有する、所謂、有限的周期性を有するナノ粒子等の微粒子の回折強度Iは、結晶構造因子(空間群)や原子の熱振動の影響を除外して考えると、(式1)に示すように、原子散乱因子fの大きさの2乗とラウエ関数の大きさの2乗との積で表される。
[principle]
The diffraction intensity I of fine particles such as nanoparticles having periodicity in a region on the order of nanometers, so-called nanoparticles having finite periodicity, is considered excluding the influence of crystal structure factors (space group) and thermal vibration of atoms. And the square of the magnitude of the atomic scattering factor f and the square of the magnitude of the Laue function, as shown in (Equation 1).

[数1]
I ∝ |f|・|L(q)|・|L(q)|・|L)| (式1)
(q) = |(sinπNhkl) / (sinπqhkl)|
n : a, b, またはc格子軸
: n格子軸方向の格子数
: n方向の散乱ベクトル
h,k,? : 指数
hkl : 格子面間隔
[Equation 1]
I α | f | 2 · | L a (q a) | 2 · | L b (q b) | 2 · | L c q c) | 2 ( Equation 1)
L n (q n) = | (sinπN n q n d hkl) / (sinπq n d hkl) | 2
n: a, b, or c lattice axis
N n : number of lattices in n lattice axis direction q n : scattering vector in n direction h, k,?: Index d hkl : lattice plane spacing

原子散乱因子は、原子に依存する因子なので、無限的周期性であるか、有限的周期性であるかには依らない。そのため、有限的周期性がある場合の回折強度を議論するためには、ラウエ関数に着目すれば十分である。
なお、実際に実験を行うに当たっては、デバイ−ウォーラー因子など種々考慮すべき要素がある。ここでは、議論を単純にして、本発明の着目点を明確化するために、前記デバイ−ウォーラー因子には触れないこととする。
The atomic scattering factor is a factor depending on the atom, and does not depend on whether it is infinite periodicity or finite periodicity. Therefore, it is sufficient to focus on the Laue function in order to discuss the diffraction intensity when there is a finite periodicity.
There are various factors to be considered in actual experiments, such as the Debye-Waller factor. Here, in order to simplify the discussion and clarify the point of interest of the present invention, the above-mentioned Debye-Waller factor will not be referred to.

図1は量子ビーム回折における回折強度Iを表したグラフ図である。一例として、単純立方格子として、格子面間隔d100を3Å(したがって、その逆格子ベクトルが1/3Å−1の場合における)回折強度を示したものである。 FIG. 1 is a graph showing the diffraction intensity I in quantum beam diffraction. As an example, as a simple cubic lattice, the lattice spacing d 100 3 Å (hence, reciprocal lattice that is in the case of 1/3 Å -1) shows the diffraction intensity.

測定する微粒子が無限的周期性を有すると仮定した場合には、図1(a)に示すように、格子の格子ベクトルが1/3Å−1であるため、散乱ベクトルが1/3とその整数倍を満たすメインスポット101のみが現れる。
このように、測定する微粒子が無限的周期性を有すると仮定すると、メインスポット間に回折スポット(ピーク)は現れず、そのスポット強度はゼロとなる。
Assuming that the fine particles to be measured have infinite periodicity, as shown in FIG. 1A, since the lattice vector of the lattice is 1 / 3Å- 1 , the scattering vector is 1/3 and its integer. Only the main spot 101 satisfying the double appears.
Thus, assuming that the fine particles to be measured have infinite periodicity, no diffraction spot (peak) appears between the main spots, and the spot intensity becomes zero.

なお、回折現象は3次元に広がった現象であるが、回折図形はその断面であって2次元データあるので、通常スポットと呼ばれる。そして、図1(a)は上記2次元データを(グラフ化、すなわち、1次元データ化しているので、図1(a)のメインスポット101はメインピークと表記されるべきものである。   The diffraction phenomenon is a phenomenon that spreads three-dimensionally, but the diffraction pattern is a cross section of the diffraction pattern and has two-dimensional data, and thus is usually called a spot. In FIG. 1A, since the two-dimensional data is converted into a graph (that is, one-dimensional data), the main spot 101 in FIG. 1A should be described as a main peak.

次に、所謂、有限的周期性を有する微粒子の場合を考えてみる。一例として、a軸方向に6個の単位格子が並んで場合を考える。なお、b軸およびc軸方向も同様な議論が可能である。   Next, consider the case of so-called fine particles having finite periodicity. As an example, consider a case where six unit cells are arranged in the a-axis direction. Note that a similar discussion can be made in the b-axis and c-axis directions.

図1(b)に、測定する微粒子が、単位格子の各軸方向の長さを3Åとし、6個の単位格子から構成され、数ナノメートルの大きさを有するナノ粒子である場合の回折強度Iを示す。   FIG. 1B shows the diffraction intensity in the case where the fine particles to be measured are nanoparticles having a size of several nanometers, each of which has a length of 3 ° in each axial direction of the unit cell and is constituted by six unit cells. I is shown.

図1(b)に示すように、波数ベクトルゼロ[Å−1]と1/3[Å−1]の回折メインスポット101の間に複数数本のラウエサブスポット102が現れる。
このナノ粒子の各軸方向の長さは、3Å×6=18Åなので約2nmである。d100格子面の数は両端を含めて7枚であり、端面以外の格子面の数は5枚である。
As shown in FIG. 1B, a plurality of Laue sub-spots 102 appear between the diffraction main spots 101 of the wave vector zero [Å −1 ] and 3 [Å −1 ].
The length of each of these nanoparticles in the axial direction is 3Å × 6 = 18Å, which is about 2 nm. The number of d 100 lattice plane is seven, inclusive, the number of lattice planes other than the end faces are five.

図1(b)中、枠線で囲ったラウエサブスポットの拡大図を図1(c)に示す。図1(c)に示すように、ラウエサブスポットは、ナノ粒子内部(両端部以外)のd100格子面の数に対応する形で、5本のラウエサブスポット102が生じる。
ラウエサブスポット102の各ピークは、各面で回折された波の位相差に応じて、均等な間隔で並んでいる一方で、各ラウエサブスポット102のスポット強度は異なる。
FIG. 1C shows an enlarged view of the Laue subspot surrounded by a frame line in FIG. As shown in FIG. 1 (c), Laue sub-spots in the form corresponding to the number of d 100 lattice planes of the internal nanoparticles (except both end portions), five Laue sub-spot 102 is generated.
The peaks of the Laue sub-spots 102 are arranged at equal intervals according to the phase difference of the waves diffracted on each surface, while the spot intensity of each Laue sub-spot 102 is different.

これらラウエサブスポットの出現数、ラウエサブスポット間の距離、及び、ラウエサブスポットの強度は、面方位方向の格子の数に依存する。
格子の方位は指数h、k、?毎、すなわち散乱(波数)ベクトル毎に異なるので、着目したナノ粒子の種々の方向に対して、それぞれ中心から端部までの長さを知ることができる。このため、ラウエサブスポットからはナノ粒子の単なる大きさだけではなく詳細な形状を得ることが可能となる。
The number of appearances of the Laue sub-spots, the distance between the Laue sub-spots, and the intensity of the Laue sub-spot depend on the number of lattices in the plane direction.
Since the orientation of the lattice differs for each index h, k,?, That is, for each scattering (wave number) vector, it is possible to know the length from the center to the end in each of the various directions of the nanoparticle of interest. For this reason, it is possible to obtain not only the mere size of the nanoparticles but also a detailed shape from the Laue subspot.

加えて、露出面の波数ベクトルが判るので、波数ベクトル、さらに正準共役量としての運動量を同時に知ることになる。これにより、他の分析装置と連携した分析・解析が可能となると共に、ナノ粒子の材料特性(物性)を方位ごとに詳細に知ることが可能となる。   In addition, since the wave number vector of the exposed surface is known, the wave number vector and the momentum as the canonical conjugate amount are simultaneously known. This enables analysis / analysis in cooperation with other analyzers, and also enables detailed knowledge of the material properties (physical properties) of the nanoparticles for each direction.

[顕微分析装置]
次に、本発明の顕微分析方法に用いる顕微分析装置について説明する。本発明は、ナノ粒子から微弱回折スポットであるラウエサブスポットを検出するラウエサブスポット検出光学系によって、ラウエサブスポットを検出して解析するものである。
上記ラウエサブスポット検出光学系は、電子線を平行化してナノ粒子に着実に照射し、ラウエサブスポットを検出するものである。
図2は、本発明の顕微分析装置のラウエサブスポット検出光学系を表した模式図である。
[Microanalyzer]
Next, a microanalyzer used in the microanalysis method of the present invention will be described. The present invention is to detect and analyze Laue sub-spots by a Laue sub-spot detection optical system that detects a Laue sub-spot which is a weak diffraction spot from nanoparticles.
The Laue subspot detection optical system detects an Laue subspot by collimating an electron beam and steadily irradiating the nanoparticles.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a Laue sub-spot detection optical system of the microscopic analyzer according to the present invention.

本発明の顕微分析装置における測定・解析系は、従来の電子顕微鏡をベースにしたものであり、試料に平行電子線を照射する電子線照射部と、中間レンズと、投影レンズと、0次反射を遮断する0次反射遮断機構と、試料のラウエサブスポットを検出する検出器と、を備え、必要に応じてメインスポットを遮断するメインスポット遮断機構、対物絞り、視野制限絞り等を有する。
そして、上記電子線照射部が、電子線を絞り込む収束レンズを有し、該収束レンズが平行性の高い電子ビームを形成する。開き角2αはできるだけ小さい方が望ましいが、0°にすることはできないので、現在の技術水準で達成できる最小角度(0.5〜1.0mrad)とするのが好ましい。
The measurement / analysis system in the microanalyzer according to the present invention is based on a conventional electron microscope, and includes an electron beam irradiator for irradiating a sample with a parallel electron beam, an intermediate lens, a projection lens, and a zero-order reflection. It has a zero-order reflection blocking mechanism for blocking light, and a detector for detecting a Laue sub-spot of the sample, and has a main spot blocking mechanism for blocking a main spot as required, an objective diaphragm, a field limiting diaphragm, and the like.
The electron beam irradiation unit has a converging lens for narrowing the electron beam, and the converging lens forms an electron beam with high parallelism. It is desirable that the opening angle 2α is as small as possible, but it cannot be set to 0 °.

上記電子線照射部は、平行電子線を形成し、試料に平行電子線を照射するものである。試料に照射する平行電子線は、ナノ粒子以外から透過電子線が生じないよう、平行電子線が測定対象の粒子のみに過不足なく照射されることが好ましい。   The electron beam irradiation section forms a parallel electron beam and irradiates the sample with the parallel electron beam. It is preferable that the parallel electron beam irradiating the sample is applied to only the particles to be measured without excess or deficiency so that the transmission electron beam is not generated from a part other than the nanoparticles.

したがって、上記平行電子線の径を測定するナノ粒子の大きさに準じた径(ナノ粒子径〜ナノ粒子径×1.1)に絞り、かつ、電子線の平行性を高くすることが重要であり、図2中の2αで示す平行電子線の開き角を0.5〜1.0mrad程度の開き角を有する収束レンズによって電子線を絞り込む。   Therefore, it is important to narrow down the diameter of the parallel electron beam to a diameter (nanoparticle diameter to nanoparticle diameter × 1.1) according to the size of the nanoparticle to be measured, and to increase the parallelism of the electron beam. The electron beam is narrowed down by a converging lens having an aperture angle of about 0.5 to 1.0 mrad of the parallel electron beam indicated by 2α in FIG.

上記収束レンズ112としては、通常の収束レンズではなく、平行性を維持しつつ絞り込める電場および磁場を形成できる収束レンズを収束レンズ112として用いることが好ましい。平行性および収束性を確保するために、収束レンズ112を多段構成としてもよい。   As the convergent lens 112, it is preferable to use a convergent lens that can form an electric field and a magnetic field that can be narrowed down while maintaining parallelism, instead of a normal convergent lens. To ensure parallelism and convergence, the converging lens 112 may have a multi-stage configuration.

平行電子線の絞り込みは、収束レンズ112の電磁場調整で行うことができ、電子線の平行性を維持したまま絞り込むことができる。   The narrowing of the parallel electron beam can be performed by adjusting the electromagnetic field of the converging lens 112, and the narrowing can be performed while maintaining the parallelism of the electron beam.

試料に照射された平行電子線は、試料を透過し、第一中間レンズ113、第二中間レンズ114、投影レンズ115を通過して投影面116に達して、電子回折図形が撮影される。   The parallel electron beam applied to the sample passes through the sample, passes through the first intermediate lens 113, the second intermediate lens 114, and the projection lens 115, reaches the projection surface 116, and captures an electron diffraction pattern.

本発明はラウエサブスポットを検出するものであるため、検出器119に電子線が入らないように0次反射遮断機構117を備える。0次反射を除外することで検出器が飽和するのを抑制し、検出器のS/N比をメインスポットおよびラウエサブスポットの検出のみに活かすことが可能となる。   Since the present invention detects Laue sub-spots, it includes a zero-order reflection blocking mechanism 117 so that an electron beam does not enter the detector 119. By excluding the zero-order reflection, the saturation of the detector is suppressed, and the S / N ratio of the detector can be used only for detecting the main spot and Laue sub-spot.

また、ナノ粒子の形状および大きさを決定するには、微弱なラウエサブスポットを検出することが最も重要である。特に、ナノ粒子がかなり大きく、ラウエサブスポット数が多数検出されることや、微弱であると想定される場合には、検出器119のダイナミックレンジに応じて検出器119に電子線が入らないようにメインスポット遮断機構118を挿入し、メインスポットを除外することが好ましい。   In order to determine the shape and size of the nanoparticles, it is most important to detect a weak Laue subspot. In particular, when it is assumed that the nanoparticles are quite large and a large number of Laue sub-spots are detected, or that the number of Laue sub-spots is weak, the electron beam is prevented from entering the detector 119 according to the dynamic range of the detector 119. It is preferable to insert the main spot cutoff mechanism 118 into the main spot and exclude the main spot.

つまり、測定するナノ粒子が、数ナノメートルさらには十ナノメートルを超える径の大きさになると、ラウエサブスポットの数は、数十から、場合よっては百以上の多数になると共に、ラウエサブスポット強度は極めて微弱となる。   In other words, when the nanoparticles to be measured have a diameter of several nanometers or even more than tens of nanometers, the number of Laue sub-spots increases from several tens to sometimes hundreds or more, and the Laue sub-spots increase. The strength becomes extremely weak.

上記メインスポット遮断機構118は、メインスポット近傍に現れたラウエサブスポットも覆ってしまう可能性がある。しかし、メインスポットを除外する必要がある場合は、測定するナノ粒子が大きい場合であるため、メインスポット間の中間付近に現れている多数の微弱ラウエサブスポットについては検出が可能である。   The main spot cutoff mechanism 118 may also cover the Laue sub-spot that has appeared near the main spot. However, when it is necessary to exclude the main spot, it is a case where the nanoparticles to be measured are large, so that it is possible to detect a large number of weak Laue sub-spots that appear near the middle between the main spots.

したがって、メインスポット遮断機構118を用いることで、ラウエサブスポットが微弱であっても、メインスポット間の中間付近に現れた多数の微弱なラウエサブスポットを検出することで、ナノ粒子の形状および大きさを決めることができる。   Therefore, by using the main spot blocking mechanism 118, even if the Laue sub-spots are weak, the shape and size of the nanoparticles can be detected by detecting a large number of weak Laue sub-spots that appear near the middle between the main spots. You can decide.

なお、回折スポットの強度を正確に知りたい場合は、メインスポット遮断機構118を用いずに測定することができる。   When it is desired to know the intensity of the diffraction spot accurately, the intensity can be measured without using the main spot blocking mechanism 118.

試料からのラウエサブスポットを検出する検出器119は、微弱なラウエサブスポットを捉えるために、S/N比が高いものであることが好ましく、具体的にはS/N比が3ケタ以上であることが好ましい。   The detector 119 for detecting a Laue sub-spot from a sample preferably has a high S / N ratio in order to capture a weak Laue sub-spot. Specifically, when the S / N ratio is 3 digits or more, Preferably, there is.

上記検出器としては、写真撮影できるものであれば良く、フィルム、CCD(Charge Couple Device)、Imaging Plate、Pixel Apparatus for the SLS(ピラタス(商品名))といったデバイスが挙げられる。   As the detector, any device capable of taking a photograph may be used, and examples thereof include devices such as a film, a CCD (Charge Couple Device), an Imaging Plate, and a Pixel Apparatus for the SLS (Pilatus (trade name)).

上記フィルム、CCD、Imaging Plate、及びピラタスのS/N比は、それぞれ、10、10、10程度であり、S/N比の観点から、検出器はCCD<Imaging Plate<ピラタスの順に好適といえる。 The film, CCD, Imaging Plate, and the S / N ratio of Pilatus are each a 10 2, 10 5, 10 about 6, from the viewpoint of S / N ratio, the detector in the order of CCD <Imaging Plate <Pilatus It can be said that it is suitable.

本発明の顕微分析装置は、制限視野絞りを用いることができる。
電子線の収束性と平行性は相反する関係であり、平行性を優先すると電子線の径が広がってしまいナノ粒子のみに電子線を当てるのが困難となる。
電子線の平行性を保ちつつ、実質的にナノ粒子のみに電子線が照射された状態を作り出すために、制限視野絞り120を試料と中間レンズの間に挿入することが好ましい。
The microscope analyzer of the present invention can use a selected area stop.
The convergence and the parallelism of the electron beam are in conflicting relations. If priority is given to the parallelism, the diameter of the electron beam increases and it becomes difficult to apply the electron beam only to the nanoparticles.
In order to create a state where only the nanoparticles are irradiated with the electron beam while maintaining the parallelism of the electron beam, it is preferable to insert the selected area stop 120 between the sample and the intermediate lens.

上記制限視野絞りが、ナノ粒子用に作製された微小孔からなる制限視野絞りであると平行性を保ちつつ、ナノ粒子のみに電子ビームを当てた状態を作ることが可能となる。   When the selected area stop is a selected area stop composed of fine holes prepared for nanoparticles, it is possible to create a state in which an electron beam is applied only to nanoparticles while maintaining parallelism.

以下、本発明の微粒子の顕微分析方法を実施形態により詳細に説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the microscopic analysis method for fine particles of the present invention will be described in detail with reference to embodiments, but the present invention is not limited to the following embodiments.

本発明の微粒子の顕微分析方法は、平行ビームを試料に照射するビーム照射工程と、上記試料からの回折スポットを検出する検出工程と、上記回折スポットを解析して微粒子の形状を決定する配列確認工程を含み、上記配列確認工程が、メインスポット間のラウエサブスポット解析し微粒子の形状を決定するものである。   The microscopic analysis method for fine particles of the present invention includes a beam irradiation step of irradiating a sample with a parallel beam, a detection step of detecting a diffraction spot from the sample, and an array confirmation of analyzing the diffraction spot to determine the shape of the fine particle. The sequence confirmation step includes a Laue subspot analysis between main spots to determine the shape of the fine particles.

(第1の実施形態)
第1の実施形態の特徴とするところは、低次反射から高次反射に至るまでの多数枚の電子回折図形を撮影して、互いに相補的に用いることにより、ナノ粒子の精密な大きさおよび形状を解析し確定する配列確認工程にある。
(First embodiment)
The feature of the first embodiment is that a large number of electron diffraction patterns from low-order reflection to high-order reflection are taken and used complementarily to each other, so that the precise size and size of the nanoparticles can be improved. It is in the sequence confirmation step of analyzing and determining the shape.

上記配列確認工程について説明する。
上記配列確認工程は、ラウエサブスポットが写った電子回折図形から、ラウエサブスポット配列の間隔を算出し、粒子の形状を決定する工程である。
The sequence confirmation step will be described.
The arrangement confirmation step is a step of calculating the interval of the Laue subspot arrangement from the electron diffraction pattern in which the Laue subspot is photographed, and determining the shape of the particles.

図3は、ラウエサブスポットを表した模式図である。図3(a)は、2次元データである電子回折図形を3次元グラフで表現したグラフ図であり、図3(b)は、透過電子顕微鏡観察で得られる電子回折図形を模式的に表した仮想写真図である。
なお、図3(b)は、回折スポット強度をスポットの径に反映させて模式的に2次元で表したものであり、図3(b)中の丸印がスポットそのものの径(散漫散乱)を表したものではないことに注意する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing Laue sub-spots. FIG. 3A is a graph showing an electron diffraction pattern which is two-dimensional data in a three-dimensional graph, and FIG. 3B schematically shows an electron diffraction pattern obtained by observation with a transmission electron microscope. It is a virtual photograph figure.
FIG. 3 (b) schematically shows the diffraction spot intensity in a two-dimensional manner reflecting the spot diameter, and a circle in FIG. 3 (b) indicates the spot diameter (diffuse scattering). Note that this is not a representation.

なお、実際のナノ粒子は、各方向に数ナノメーターの長さを有するので、数十枚の格子面で構成されているはずであり、メインスポット間に存在するラウエサブスポットの数は数十個となるはずである。しかし、数十個のサブスポットを図示するのは困難なので、図3では格子面数を5〜6枚として表した。   Since the actual nanoparticles have a length of several nanometers in each direction, they should be composed of several tens of lattice planes, and the number of Laue sub-spots existing between the main spots is several tens. It should be an individual. However, since it is difficult to show several tens of sub-spots, the number of lattice planes is shown in FIG.

第1の実施形態は実格子−逆格子変換を利用したものである。
本実施形態では電子線の入射方向は任意である。長さの最大検出精度は、格子面間隔に等しいので、ラウエサブスポットが検出できる範囲内において格子面間隔ができるだけ小さいもの、すなわち、指数ができるだけ大きい散乱ベクトルのスポットが写っている電子回折図形を選択することが、好ましい。
The first embodiment utilizes a real lattice-reciprocal lattice transformation.
In this embodiment, the incident direction of the electron beam is arbitrary. Since the maximum detection accuracy of the length is equal to the lattice spacing, the electron diffraction pattern in which the lattice spacing is as small as possible within the range where the Laue sub-spot can be detected, that is, the scattering vector spot with the largest possible index is shown. Selection is preferred.

格子定数が3Åの単純立方格子(Pm−3m)を例に説明する。
一例として、電子線の入射方向[1 −3 2]を偶然、電子顕微鏡が捉えた場合のラウエサブスポットを考えてみる。
A simple cubic lattice (Pm-3m) having a lattice constant of 3 ° will be described as an example.
As an example, consider a Laue sub-spot when the incident direction [1−32] of an electron beam is accidentally captured by an electron microscope.

なお、電子線の方位(散乱ベクトル)は括弧無しで表記するのが本来は正しいが、方位と面指数との区別を明瞭にし、見易さを確保するために、本明細書ではカギ括弧を付けて、方位および散乱ベクトルを表すことにする。
また、方位の総称を示す場合には、電子顕微鏡分野の慣例に従って、方位を不等号括弧で表すこととする。
Although it is originally correct that the azimuth (scattering vector) of the electron beam is described without parentheses, in order to make the distinction between the azimuth and the plane index clear and to ensure the legibility, in this specification, the brackets are used. In addition, the azimuth and the scattering vector will be represented.
In addition, when indicating a general term of an azimuth, the azimuth is expressed by angle brackets in accordance with a custom in the field of electron microscopes.

[1 −3 2]に垂直な散乱ベクトルとして、例えば[2 2 −3]がある。
さらに[1 −3 2]および[2 2 −3]のいずれにも垂直な散乱ベクトルとして[5 7 8]を挙げることができる。
図3(a)中、[2 2 −3]方向を散乱ベクトル(水平方向)、[5 7 8]を散乱ベクトル(垂直方向)と呼ぶことにする。
As a scattering vector perpendicular to [1-32], for example, there is [2 2-3].
Further, [5 7 8] can be mentioned as a scattering vector perpendicular to both [1-32] and [2 2-3].
In FIG. 3A, the [2 2 -3] direction is referred to as a scattering vector (horizontal direction), and [5 7 8] is referred to as a scattering vector (vertical direction).

[2 2 −3]の格子面間隔は0.802Å、すなわち、約0.8Åである。水平方向の散乱ベクトルでは、ラウエサブスポット102がメインスポット101間に5本見えている。
したがって、[2 2 −3]方向には格子が5個並んでおり、格子面は、5+1=6枚存在していると判定できる。この結果から、このナノ粒子は、中心から[2 2 −3]格子面までの距離が0.8×6=4.8Åであると決定される。
The lattice spacing of [22-3] is 0.802 °, that is, about 0.8 °. In the horizontal scattering vector, five Laue sub-spots 102 are visible between the main spots 101.
Therefore, it can be determined that five lattices are arranged in the [2 2 -3] direction and that 5 + 1 = 6 lattice planes exist. From this result, it is determined that the distance of the nanoparticles from the center to the [2 2 -3] lattice plane is 0.8 × 6 = 4.8 °.

実際のナノ粒子は、通常、種々の空間群に属しており、また、多種類の原子を含んでいるが、仮に、本実施形態におけるナノ粒子が単一原子からなる単純立方格子であるとすれば、面数と原子数は同一となるので、[2 2 −3]方向における原子数は6であると決定される。   Actual nanoparticles generally belong to various space groups and include many types of atoms. However, if the nanoparticles in the present embodiment are a simple cubic lattice composed of a single atom, For example, since the number of planes and the number of atoms are the same, the number of atoms in the [2 2 -3] direction is determined to be 6.

同様に、垂直方向の散乱ベクトルでは、ラウエサブスポット102がメインスポット101間に6本見えている。すなわち、[5 7 8]は6+1=7面で成り立っていると判定できる。   Similarly, in the scattering vector in the vertical direction, six Laue sub-spots 102 are visible between the main spots 101. That is, it can be determined that [5 7 8] is made up of 6 + 1 = 7 planes.

[5 7 8]の格子面間隔は0.255Å、すなわち、約0.26Åである。ナノ粒子の[5 7 8]方向(垂直方向)の長さは、0.26×7=1.8Åであり、ナノ粒子が単一原子からなる単純立方格子であると仮定すれば、垂直方向に7個の原子が並んでいることなる。   The lattice spacing of [5 7 8] is 0.255 °, that is, about 0.26 °. The length of the nanoparticles in the [5 7 8] direction (vertical direction) is 0.26 × 7 = 1.8 °, and assuming that the nanoparticles are a simple cubic lattice composed of a single atom, the vertical direction Means that seven atoms are aligned.

このようにして、ラウエサブスポットを解析することで、通常、1枚の電子回折図形からナノ粒子の2方向の長さを知ることができる。
したがって、n枚の電子回折図形を撮影すれば、通常、2n方向の長さおよび、その方向における原子数を知ることができる。
By analyzing the Laue sub-spots in this way, the length of the nanoparticles in two directions can usually be known from one electron diffraction pattern.
Therefore, by photographing n electron diffraction patterns, it is usually possible to know the length in the 2n direction and the number of atoms in that direction.

また、周期部の空間群と各原子の部分座標を考慮すれば、格子面間隔を最大の位置精度として、ナノ粒子のその方向における各原子の位置を決定することができる。
したがって、100枚程度の電子回折図形を撮影すれば、ナノ粒子のほぼ全方向(全領域)に亘って、ナノ粒子の長さ、原子種ごとの部分原子座標を知ることができるが、解析する電子回折図形の枚数は、必要とされる精度に応じて適宜選択すればよい。
Also, considering the space group of the periodic part and the partial coordinates of each atom, the position of each atom in that direction of the nanoparticle can be determined with the lattice spacing being the maximum positional accuracy.
Therefore, by photographing about 100 electron diffraction patterns, it is possible to know the length of the nanoparticles and the partial atomic coordinates of each atomic species in almost all directions (all regions) of the nanoparticles, but the analysis is performed. The number of electron diffraction patterns may be appropriately selected according to the required accuracy.

(第2の実施形態)
次いで、本発明に係る微粒子の顕微分析方法の第2の実施形態について説明する。
第1の実施形態では、電子回折図形のラウエサブスポットを解析することで、ナノ粒子の長さ、原子種ごとの部分座標を決定できることを示した。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the microscopic analysis method for fine particles according to the present invention will be described.
In the first embodiment, it has been shown that by analyzing the Laue subspot of the electron diffraction pattern, the length of the nanoparticle and the partial coordinates for each atomic species can be determined.

また、第1の実施形態の方法では、各原子間の相対的な位置関係及び周期部の部分原子座標が判っているので、原子位置の決定精度が高いといえる。しかしながら、長さに対する精度が格子面間隔程度であるため、必ずしも十分とはいえない。   In the method of the first embodiment, the relative positional relationship between the atoms and the partial atomic coordinates of the periodic portion are known, so that it can be said that the accuracy of determining the atomic position is high. However, since the accuracy with respect to the length is on the order of the lattice spacing, it is not always sufficient.

本発明は強度が微弱なラウエスポットを用いるため、スポット形状が散漫になりやすい。本実施形態の配列確認工程は、スポットが散漫な状態でも実格子−逆格子変換を行うために、さらにフーリエ変換−フーリエ逆変換を用いて配列を確認し、原子の位置を決める原子位置確定工程を加えたものである。   In the present invention, since the Laue spot having a weak strength is used, the spot shape is likely to be diffused. In the arrangement confirmation step of the present embodiment, in order to perform the real lattice-reciprocal lattice transformation even in the state where the spots are diffused, the arrangement is further confirmed using the Fourier transformation-inverse Fourier transformation, and the atom position determination step of determining the position of the atom is performed. Is added.

図4は、本発明の第2の実施形態に係るラウエスポット配列解析のフローチャート図である。部分原子座標を単純に決められる場合の手順の形態例を図4に示す。   FIG. 4 is a flowchart of Laue spot array analysis according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 shows an example of the form of the procedure when the partial atomic coordinates can be simply determined.

第2の実施形態では、入力モデルS101を構築し、該入力モデルS101にフーリエ変換S102を適用し、入力モデルのメインスポットおよびラウエサブスポットの配列を算出する。   In the second embodiment, an input model S101 is constructed, a Fourier transform S102 is applied to the input model S101, and an array of main spots and Laue sub-spots of the input model is calculated.

入力モデルは、測定するナノ粒子について大きさ及び形状を予測したものであり、具体的には、ナノ粒子の大きさ、及び、ナノ粒子の形状が立方体に近いか、直方体に近いかといったおよその見当をつけたものとする。   The input model predicts the size and shape of the nanoparticle to be measured.Specifically, the size of the nanoparticle and the approximate shape of the nanoparticle, such as whether the shape is close to a cube or close to a rectangular parallelepiped, You should have an idea.

入力モデルの構築には初期データとして、ナノ粒子の有限周期部の格子定数、空間群、部分原子座標を用いる。必ずしも必要ではないが、予めナノ粒子の実空間像を撮影しておき、ナノ粒子の大きさ、並びに形状を総合的に勘案して、入力モデル101を構築することが好ましい。   In constructing the input model, the lattice constant, space group, and partial atomic coordinates of the finite periodic part of the nanoparticles are used as initial data. Although it is not always necessary, it is preferable to construct an input model 101 by taking a real space image of the nanoparticles in advance and comprehensively considering the size and shape of the nanoparticles.

そして、ラウエサブスポット配列確認S103を実施し、入力モデルのメインスポットおよびラウエサブスポットの配列と実際に撮影された電子回折図形のメインスポットおよびラウエサブスポットの配列とを比較し、入力モデルを修正して実際の微粒子に近づける。   Then, the Laue sub-spot arrangement confirmation S103 is performed, and the arrangement of the main spot and the Laue sub-spot of the input model is compared with the arrangement of the main spot and the Laue sub-spot of the actually captured electron diffraction pattern to correct the input model. To get closer to the actual fine particles.

具体的には、上記電子回折図形のラウエサブスポットと、入力モデルS101にフーリエ変換S102を適用して得られたラウエサブポットとの間で、ラウエサブスポット配列の間隔および個数が一致するように、入力モデルの格子面間隔、およびその格子面間隔数を決定する。   Specifically, the Laue subspots of the electron diffraction pattern and the Laue subpot obtained by applying the Fourier transform S102 to the input model S101 have the same interval and number of Laue subspots. , The lattice spacing of the input model, and the number of the lattice planes.

1枚の電子回折図形当たり、通常、入射方位に対して垂直な散乱ベクトルは2方向あるので、それぞれの散乱ベクトル方向に対して、格子面間隔、およびその格子面間隔数を決定する。格子面間隔および格子面間隔数から、その散乱ベクトルの長さを知ることができる。   Normally, there are two directions of scattering vectors perpendicular to the incident azimuth per electron diffraction pattern. Therefore, the lattice plane spacing and the number of lattice planes are determined for each scattering vector direction. The length of the scattering vector can be known from the lattice plane interval and the number of lattice plane intervals.

同様な作業を2枚目の電子回折図形に対しても行う。2枚目の電子回折図形の方位は、1枚目のものとは異なっているので、1枚目とは異なる散乱ベクトルについて、その格子面間隔、およびその格子面間隔数を得ることができる。   A similar operation is performed on the second electron diffraction pattern. Since the azimuth of the second electron diffraction pattern is different from that of the first electron diffraction pattern, the lattice spacing and the number of lattice spacings can be obtained for scattering vectors different from the first one.

得られた全ての電子回折図形に同様な作業を適用することにより、ナノ粒子のほぼ全ての方向に対して、その方向に対する格子面間隔、格子面間隔数、および長さを決定し、ラウエサブスポット配列確認S103を終了する。   By applying the same operation to all the obtained electron diffraction patterns, the lattice spacing, the number of lattice spacings, and the length in almost all directions of the nanoparticles are determined for each direction. The spot arrangement confirmation S103 ends.

次に、確認した入力モデルのラウエサブスポット配列にフーリエ逆変換S104を適用することにより、格子面間隔、格子面間隔数から原子の配列を復元してモデル出力S105を行う。   Next, by applying the inverse Fourier transform S104 to the Laue subspot arrangement of the confirmed input model, the arrangement of atoms is restored from the lattice spacing and the number of lattice planes, and model output S105 is performed.

モデル出力S105で出力された出力モデルの原子の配列(ナノ粒子の大きさ、並びに形状)と入力モデルとの比較S106を実施して、より適切な大きさおよび形状を有する新たな入力モデルS101を構築する。   A comparison S106 between the input model and the arrangement of atoms (size and shape of nanoparticles) of the output model output in the model output S105 is performed to obtain a new input model S101 having a more appropriate size and shape. To construct.

このような、フーリエ変換S102→ラウエスポット配列確認S103→フーリエ逆変換S104→モデル出力S105を、入力モデルと出力モデルとの間で、構造がおよそ一致するまで、繰り返し返し計算を行い、モデル出力S105を行う。   Such a Fourier transform S102 → Laue spot arrangement confirmation S103 → Fourier inverse transform S104 → model output S105 is repeatedly repeated until the structure between the input model and the output model is approximately the same, and the model output S105 I do.

このように、フーリエ変換−フーリエ逆変換を適用し、ラウエサブ実格子−逆格子変換を繰り返し行えば、スポットが散漫な状態であっても、ラウエサブスポット配列の配列間隔を正確に求めることができる。   As described above, if the Fourier transform-inverse Fourier transform is applied and the Laue sub real lattice-reciprocal lattice transform is repeatedly performed, the arrangement interval of the Laue sub spot array can be accurately obtained even when the spots are diffused. .

つまり、フーリエ逆変換を行って実格子像を得ることにより、入力モデルと出力モデルの形状を直接比較できる。即ち、画像(イメージ)を観察および比較して、人の目の観点で確認できる。その上で、逆格子(逆空間)におけるラウエサブスポット配列間隔という抽象概念ではなく、実粒子の各原子の座標という実概念で評価することが可能となる。その結果、ナノ粒子内の各原子の位置を第1の実施形態に比べて正確に決定できる上に、その妥当性を判断および評価することができる。   That is, the shape of the input model and the shape of the output model can be directly compared by obtaining the real lattice image by performing the inverse Fourier transform. That is, by observing and comparing images (images), it can be confirmed from the viewpoint of human eyes. In addition, the evaluation can be made not by the abstract concept of the Laue subspot arrangement interval in the reciprocal lattice (inverse space) but by the real concept of the coordinates of each atom of a real particle. As a result, the position of each atom in the nanoparticle can be determined more accurately than in the first embodiment, and its validity can be determined and evaluated.

次に、より工程数が増えて手順は複雑となるものの、より実際の電子顕微鏡の使用に即し、且つ高い精度で部分原子座標を決められる実施形態例を、図5を用いて示す。   Next, an example of an embodiment in which the number of steps is increased and the procedure becomes more complicated, but more suitable for actual use of an electron microscope and in which partial atomic coordinates can be determined with high accuracy will be described with reference to FIG.

予め(100)面など単純な面指数の電子回折像を複数枚(n枚)撮影しておく。得られた電子回折図形から、入力モデル構築S201に用いた結晶構造データに合うようにカメラ長を補正して、格子定数補正S202を行う。   A plurality (n) of electron diffraction images of a simple plane index such as the (100) plane are taken in advance. From the obtained electron diffraction pattern, the camera length is corrected to match the crystal structure data used in the input model construction S201, and lattice constant correction S202 is performed.

その後で、上記n枚全ての電子回折図形に対してフーリエ変換S203を行って、図4の場合と同様なラウエスポット配列確認S204を行う。ラウエサブスポット配列確認S204を終えた全てのデータにフーリエ逆変換S205を適用して、各原子の部分座標を格子面方位毎に算出する。   Thereafter, the Fourier transform S203 is performed on all the n electron diffraction patterns, and the Laue spot arrangement confirmation S204 similar to the case of FIG. 4 is performed. By applying the inverse Fourier transform S205 to all data after the Laue sub spot arrangement confirmation S204, partial coordinates of each atom are calculated for each lattice plane direction.

次に、原子位置確定処理S206を行う。
上記原子位置確定処理S206は、各原子の部分原子座標を決定する処理である。
まず、ある格子面(第1の格子面と呼ぶことにする。)を選び出し、上記第1の格子面とは別の面方位であると共に、部分座標が上記第1の格子面と同じであるべき原子(着目原子と呼ぶことにする。)を含んでいる第2の格子面を選び出す。
Next, an atomic position determination process S206 is performed.
The above-described atomic position determination processing S206 is processing for determining partial atomic coordinates of each atom.
First, a certain lattice plane (which will be referred to as a first lattice plane) is selected, has a different plane orientation from the first lattice plane, and has the same partial coordinates as the first lattice plane. A second lattice plane containing a power atom (to be referred to as a target atom) is selected.

第1の格子面の部分座標を基準として、着目原子の部分座標が一致するように、第2の格子面における着目原子の部分座標を散乱ベクトル方向にシフトさせる。   The partial coordinates of the atom of interest on the second lattice plane are shifted in the direction of the scattering vector such that the partial coordinates of the atom of interest match based on the partial coordinates of the first lattice plane.

このようにして、着目原子の部分座標を決定することで、入力モデル形成の際に用いた結晶構造データと同等の精度で、着目原子および着目原子との位置関係が保たれるべき原子の部分座標を決定できる。   By determining the partial coordinates of the target atom in this manner, the target atom and the portion of the atom that should maintain the positional relationship with the target atom with the same accuracy as the crystal structure data used in forming the input model. Coordinates can be determined.

同様な作業を撮影したn枚の電子回折図形に対して行う。撮影した写真の枚数にもよるが、電子回折図形が多数ある場合には、2種類の格子面の選び方も複数生じることになる。   A similar operation is performed on n electron diffraction patterns that have been photographed. Although there are many electron diffraction patterns, depending on the number of photographed pictures, there are a plurality of ways to select two types of lattice planes.

そして、測定系の誤差などの影響で、選んだ格子面の組み合わせ毎に、着目原子の部分座標が異なることがある。また、同様に、着目原子との位置関係が保たれるべき原子の部分座標も選んだ格子面の組み合わせ毎に異なることがある。   Then, the partial coordinates of the atom of interest may be different for each combination of the selected lattice planes due to the influence of errors in the measurement system and the like. Similarly, the partial coordinates of the atoms that should maintain the positional relationship with the target atom may differ depending on the selected combination of lattice planes.

そこで、原子位置確定処理では、この誤差が最少となるように、フーリエ変換S203から入力モデルと比較S208までの一連の処理を繰り返し行って、最適化された構造モデルを得る。これにより、測定系の機械誤差がある場合でも、高精度で各原子の部分原子座標を決定することが可能となる。   Therefore, in the atomic position determination processing, a series of processing from the Fourier transform S203 to the input model and comparison S208 is repeated so as to minimize this error, and an optimized structural model is obtained. This makes it possible to determine the partial atomic coordinates of each atom with high accuracy even when there is a mechanical error in the measurement system.

このようにして決定されたナノ粒子のイメージを図5(b)に示す。
(hkl)の面の各辺の長さは、散乱ベクトル(a軸方向ならkおよびl、b軸方向ならhおよびl、c軸方向ならhおよびk)に依存して決まる。したがって、高次反射であれば、通常、h≠k≠lとなるため、各面を不等辺三角形で表すことにした。
FIG. 5B shows an image of the nanoparticles determined in this manner.
The length of each side of the (hkl) plane depends on the scattering vector (k * and l * for the a-axis direction, h * and l * for the b-axis direction, and h * and k * for the c-axis direction). Decided. Therefore, in the case of high-order reflection, h ≠ k ≠ l, so that each surface is represented by a scalene triangle.

前述したように、第1の格子面の部分座標を基準として、着目原子の部分座標が一致するように、第2の格子面における着目原子の部分座標を散乱ベクトル方向にシフトさせて、原子の座標は決定される。
なお、必ずしも格子面の交差した点上に原子が存在する訳ではないが、図5(b)では便宜的に交差した点(三角形の頂点)状に原子を描いてある。
As described above, the partial coordinates of the target atom on the second lattice plane are shifted in the direction of the scattering vector so that the partial coordinates of the target atom coincide with each other with reference to the partial coordinates of the first lattice plane. The coordinates are determined.
Note that atoms do not necessarily exist at the points where the lattice planes intersect, but in FIG. 5B, the atoms are drawn at the points of intersection (vertices of a triangle) for convenience.

上記の分析方法では、2種類の格子面を選んだ後に最適化を行う処理を示したが、n枚の格子面を選んで一気に最適化することも可能である。いずれかの最適化法を選択して最適化を行うことにより、第1の実施形態に比べてナノ粒子内の各原子の座標をより一層高い精度で決定することが可能となる。   In the analysis method described above, the process of performing optimization after selecting two types of lattice planes has been described. However, it is also possible to select n lattice planes and perform optimization at once. By performing the optimization by selecting one of the optimization methods, it becomes possible to determine the coordinates of each atom in the nanoparticle with higher accuracy than in the first embodiment.

電子回折図形を一気に撮影する手法として、電子線後方散乱回折法(Electron Backscatter Diffraction:EBSD)がある。
EBSDは、透過電子顕微鏡であれば、光学系を収束電子回折系に設定することで、菊池線を撮影する手法である。菊池線が写った菊池マップを利用すれば、種々の方位に高精度でナノ粒子の向きを合わせることができる。この技術は走査型電子顕微鏡で既に実用化されているので、詳述しない。
As a method of capturing an electron diffraction pattern at a stretch, there is an electron backscatter diffraction (EBSD).
EBSD is a method of capturing a Kikuchi line by setting the optical system to a convergent electron diffraction system in a transmission electron microscope. The use of the Kikuchi map showing the Kikuchi line enables the orientation of nanoparticles to various directions with high accuracy. Since this technique has already been put to practical use in a scanning electron microscope, it will not be described in detail.

上記EBSDを透過型電子顕微鏡に適用するのはかなり難易度が高い。特にラウエサブスポットを検出する本発明の平行電子ビーム系であるラウエサブスポット検出光学系に適用するのは実質的に不可能である。そこで、ラウエサブスポット検出光学系で撮影した後、一旦、収束電子回折系に光学系を変更する。   It is quite difficult to apply the above EBSD to a transmission electron microscope. In particular, it is substantially impossible to apply the present invention to a Laue subspot detection optical system which is a parallel electron beam system of the present invention for detecting a Laue subspot. Therefore, after photographing with the Laue sub spot detection optical system, the optical system is temporarily changed to a convergent electron diffraction system.

すなわち、図2における収束レンズ112と試料111との距離を変える等により、角度αを一時的に広げる。この操作により、回折リング中に見出された菊池線を追跡することが可能となる。   That is, the angle α is temporarily widened by changing the distance between the converging lens 112 and the sample 111 in FIG. This operation makes it possible to track the Kikuchi line found in the diffraction ring.

菊池線の追跡は、走査型電子顕微鏡で既に行われているように、自動化できる。菊池線の追跡により、種々の方位に高精度でしかも自動で試料を傾斜させる。試料位置が確定した段階で、光学系を収束電子回折系から平行電子ビーム系であるラウエサブスポット検出光学系に戻す。   Tracking of the Kikuchi line can be automated, as is already done with scanning electron microscopes. By tracking the Kikuchi line, the sample is automatically tilted in various directions with high accuracy. When the sample position is determined, the optical system is returned from the convergent electron diffraction system to the Laue sub-spot detection optical system which is a parallel electron beam system.

以上のような、平行電子ビーム系であるラウエサブスポット検出光学系と従来の収束電子回折系との変換を多数回自動的に行うことで、高精度でナノ粒子の形状および構成原子の位置を自動で得ることが可能となる。   By automatically performing the conversion between the Laue subspot detection optical system, which is a parallel electron beam system, and the conventional convergent electron diffraction system many times, the shape of the nanoparticles and the positions of the constituent atoms can be determined with high accuracy. It can be obtained automatically.

(第3の実施形態)
次いで、本発明に係る微粒子の顕微分析方法の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、2枚の電子回折図形でナノ粒子の形状を決定するものである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the microscopic analysis method for fine particles according to the present invention will be described. In the third embodiment, the shape of nanoparticles is determined by two electron diffraction patterns.

ナノ粒子は、3次元の物体である一方で、電子回折図形は2次元データである。したがって、一枚の電子回折図形からナノ粒子形状を決定することは困難である。   Nanoparticles are three-dimensional objects, while electron diffraction patterns are two-dimensional data. Therefore, it is difficult to determine the shape of the nanoparticles from one electron diffraction pattern.

しかしながら、2枚の電子回折図形があれば、2(次元)+2(次元)の情報を得ることができ、情報量が物体の3(次元)を超えるので、原理的には、露出面を規定した上でナノ粒子の大きさおよび形状の議論が可能である。   However, if there are two electron diffraction patterns, 2 (dimension) +2 (dimension) information can be obtained and the amount of information exceeds 3 (dimension) of the object. Then, the size and shape of the nanoparticles can be discussed.

図6は、本発明の第3の実施形態に係るナノ粒子形状および電子回折図形を表した模式図である。図6(b)、(c)中、メインスポットをハッチングされた丸印、ラウエサブスポットを黒丸印で表した。
なお、ラウエサブスポットの半径は、スポット強度を模式的に表したものであり、散漫など影響でスポットが広がったものではない。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a nanoparticle shape and an electron diffraction pattern according to the third embodiment of the present invention. 6B and 6C, the main spots are indicated by hatched circles, and the Laue sub spots are indicated by black circles.
Note that the radius of the Laue sub-spot schematically represents the spot intensity, and does not mean that the spot has spread due to influence such as distraction.

入力モデルのナノ粒子が、ナノ粒子の有限的周期部分は単純立方格子で形成されているとし、{100}、{110}、および{111}の3種類の格子面で構成されているとして解析する場合を例に説明する。   Analysis of the nanoparticles in the input model assuming that the finite periodic part of the nanoparticles is formed by a simple cubic lattice and consists of three types of lattice planes, {100}, {110}, and {111} An example will be described.

{100}および{110}面のように、指数に0が含まれる面は、相当する辺の長さが1/0、すなわち無限大となってしまうため、面形状を規定できない。   As for the {100} and {110} planes, the plane shape cannot be defined because the length of the corresponding side becomes 1/0, that is, infinity, such as the {100} and {110} planes.

そこで、{100}面は0を二つ含み、2辺が不定なため、正方形であると仮定することにする。{110}面は0を一つ含み、1辺が不定なため、1辺に自由度を与えて長方形と仮定する。{111}面の形状は、指数が0を含んでおらず、指数の値は全て1であって互いに等しいため、正三角形となる。   Therefore, it is assumed that the {100} plane is square because it includes two 0s and two sides are indeterminate. Since the {110} plane includes one 0 and one side is indefinite, it is assumed that one side has a degree of freedom and is a rectangle. The shape of the {111} plane is an equilateral triangle because the exponent does not include 0 and the exponent values are all 1 and equal to each other.

入力モデルの各格子面の大きさ(面積)は、図6(a)に示すように{100}>{110}>{111}と仮定する。すなわち、正方形>長方形>正三角形とする。ナノ粒子の各方位に対する長さは、面積と逆相関である。   It is assumed that the size (area) of each lattice plane of the input model is {100}> {110}> {111} as shown in FIG. That is, square> rectangle> regular triangle. The length for each orientation of the nanoparticles is inversely related to the area.

したがって、入力モデルとして、ナノ粒子の<111>方位が最も長く、次いで<110>方位、<100>方位が最も短いもの選定したことになる。
別の見方をすれば、<111>方向に並んだ{111}面の枚数が最も多く、次いで{110}面、{100}面の枚数が多いと入力モデルを設定したことになる。
Therefore, an input model having the longest <111> orientation of the nanoparticle, followed by the shortest <110> and <100> orientations was selected.
From another viewpoint, the input model is set when the number of {111} planes arranged in the <111> direction is the largest, and then the {110} plane and the {100} plane are largest.

各方位に対するラウエサブスポットの数は格子面数で決まる。図6(b)および図6(c)に示すように、本実施形態における各方位のサブスポット数は、<111>、<110>、<100>の順とした。   The number of Laue sub-spots for each direction is determined by the number of lattice planes. As shown in FIGS. 6B and 6C, the number of sub-spots in each direction in the present embodiment is in the order of <111>, <110>, and <100>.

図6(b)および図6(c)におけるスポット強度は、有限的周期部の結晶構造を指定しないと決定できないので、本実施形態説明用の便宜的なものである。また、ナノ粒子の径は、通常数nmである。この場合、格子面の数、すなわちラウエサブスポットの数は、十数個から数十個となる。このような多数個のスポットを図示するのは困難であるため、実際とは異なるが、数個のラウエサブスポットで例示することとした。   The spot intensities in FIG. 6B and FIG. 6C cannot be determined unless the crystal structure of the finite periodic portion is specified, and are therefore convenient for explaining the present embodiment. The diameter of the nanoparticles is usually several nm. In this case, the number of lattice planes, that is, the number of Laue sub-spots, is from tens to several tens. Since it is difficult to show such a large number of spots, it is different from the actual one, but is illustrated with several Laue sub-spots.

図6(a)に示すように[001]方位で電子線を入射すると、図6(b)に示すような{100}および{110}反射を含んだ電子回折図形を得ることができる。
同様に電子線入射方位を[11−2]方位とすれば、{110}および{111}反射を含んだ電子回折図形を得ることができる。
When an electron beam is incident in the [001] direction as shown in FIG. 6A, an electron diffraction pattern including {100} and {110} reflections as shown in FIG. 6B can be obtained.
Similarly, if the electron beam incident direction is the [11-2] direction, an electron diffraction pattern including {110} and {111} reflections can be obtained.

{100}、{110}、および{111}の3面、それぞれについて、ラウエサブスポットの数から、有限的周期部の格子面数を知ることができる。
したがって{100}、{110}、{111}の3種類の面で構成されている想定したナノ粒子の形状が決定される。さらに、{110}は両電子回折図形に含まれている。
そして、第2の実施形態で示した解析手法を適用すれば、各方位に対する部分座標を決定することが可能である。
For each of {100}, {110}, and {111}, the number of lattice planes of the finite periodic part can be known from the number of Laue sub-spots.
Therefore, the shape of the assumed nanoparticle composed of three types of {100}, {110}, and {111} is determined. Further, {110} is included in both electron diffraction patterns.
Then, by applying the analysis method described in the second embodiment, it is possible to determine the partial coordinates for each direction.

以上より、本実施形態に依れば、電子回折図形を2枚しか撮影できない状況であっても有限的周期性を有するナノ粒子の形状、更にその形状を形成した各原子の部分座標を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain the shape of nanoparticles having finite periodicity and the partial coordinates of each atom forming the shape even when only two electron diffraction patterns can be captured. Can be.

(第4の実施形態)
次いで、本発明に係る微粒子の顕微分析方法の第4の実施形態について説明する。
第4の実施形態は、電子回折図形が1枚しか得られない場合でも、3次元形状を議論可能とするものである。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the microscopic analysis method for fine particles according to the present invention will be described.
The fourth embodiment enables a three-dimensional shape to be discussed even when only one electron diffraction pattern is obtained.

図7は、本発明の第4の実施形態に係る入力モデルのナノ粒子形状および電子回折図形を表した模式図である。
[001]入射を仮定すると、(001)および(00−1)面の情報は得られないので、この面の形状を八角形で表した。(001)および(00−1)面以外の{100}面は正方形で表した。{110}面は長方形とした。
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a nanoparticle shape and an electron diffraction pattern of an input model according to the fourth embodiment of the present invention.
Assuming the incidence of [001], information on the (001) and (00-1) planes cannot be obtained, so the shape of this plane is represented by an octagon. The {100} planes other than the (001) and (00-1) planes were represented by squares. The {110} plane was rectangular.

ナノ粒子の[100]方向と[110]方向の長さはほぼ等しいとすると、格子面数の比は√(1+1+0)=√2となる。ラウエサブスポット数が格子面数の比に近くなるよう、<100>のラウエサブスポット数は2、<110>方位のラウエサブスポット数は3とした。
なお、これは作図上の便宜的なものであって、実際のラウエサブスポット数および強度ではない。
Assuming that the lengths of the nanoparticles in the [100] and [110] directions are substantially equal, the ratio of the number of lattice planes is √ (1 2 + 12 + 0) = √2. The number of Laue sub-spots for <100> was set to 2 and the number of Laue sub-spots for <110> orientation was set to 3 so that the number of Laue sub-spots was close to the ratio of the number of lattice planes.
Note that this is only for convenience in drawing, and is not the actual number of Laue sub-spots and the actual intensity.

[001]方向については、電子線の強度を用いて、この方向におけるナノ粒子の長さを見積もる。見積り手法としては
1)ダイレクトビーム(0次反射スポット)とメインスポットとの比(透過線と散乱線との比)
2)メインスポットとラウエスポットとの比
3)EELSから算出
が挙げられる。
For the [001] direction, the length of the nanoparticles in this direction is estimated using the intensity of the electron beam. The estimation method is as follows: 1) Ratio between direct beam (0th order reflection spot) and main spot (ratio between transmitted ray and scattered ray)
2) Ratio of main spot to Laue spot 3) Calculation from EELS.

以上より、本実施形態に依れば、1枚の電子回折図形から有限的周期性を有するナノ粒子の形状を議論することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to discuss the shape of nanoparticles having finite periodicity from one electron diffraction pattern.

(第5の実施形態)
次いで、本発明に係る微粒子の顕微分析方法の第5の実施形態について説明する。
第5の実施形態は、第1および第2の実施形態のように多数枚の電子回折図形が得られる場合にも適用可能であるが、得られる電子回折図形が第3の実施形態のように2枚、さらに第4の実施形態のように電子回折図形が1枚しか得られない場合でも、3次元形状を議論可能とする解析手法に関するものである。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the microscopic analysis method for fine particles according to the present invention will be described.
The fifth embodiment can be applied to the case where a large number of electron diffraction patterns are obtained as in the first and second embodiments, but the obtained electron diffraction pattern is different from that in the third embodiment. The present invention relates to an analysis method that enables a three-dimensional shape to be discussed even when only two electron diffraction patterns are obtained, as in the fourth embodiment.

図8は、本発明の第5の実施形態に係るフローチャートおよびナノ粒子形状を表した模式図である。1枚の電子回折図形から2方向のラウエスポット配列を得ることができる。
したがって、2種類の格子面で形状を議論することも可能であるが、本実施形態では1種類の格子面のみ用いた場合の解析事例を示す。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a flowchart and a nanoparticle shape according to a fifth embodiment of the present invention. A Laue spot arrangement in two directions can be obtained from one electron diffraction pattern.
Therefore, although it is possible to discuss the shape with two types of lattice planes, the present embodiment shows an analysis example in the case where only one type of lattice plane is used.

説明を単純化するために、ナノ粒子の有限的周期部は単純立方格子で成り立っていると仮定する。
図8(a)に示すように、まず、入力モデル構築S301を構築する。入力モデルであるので、図8(b)に示すように、ナノ粒子の形状はa、b、およびc軸いずれの方向についても等しい、すなわち、立方体とする。立方体ナノ粒子の格子定数および格子面数を種々変更したシミュレーションを行って、その格子定数および格子面数における電子回折図形を再現する。
For the sake of simplicity, it is assumed that the finite periodic part of the nanoparticle consists of a simple cubic lattice.
As shown in FIG. 8A, first, an input model construction S301 is constructed. Since it is an input model, as shown in FIG. 8B, the shape of the nanoparticle is the same in any of the directions of the a, b, and c axes, that is, it is a cube. A simulation is performed in which the lattice constant and the number of lattice planes of the cubic nanoparticles are variously changed, and an electron diffraction pattern at the lattice constant and the number of lattice planes is reproduced.

この電子回折図形と実際に透過電子顕微鏡観察で得られた電子回折図形とを比較する。そうすると、図8(b)中の破線にて示したように、例えば[100]方向の格子面の枚数は、[010]および[001]方向に比べて多くなったという結果が得られたとする。この場合、ナノ粒子は、立方体ではなく、[100]方向に伸びた直方体ということになる。   This electron diffraction pattern is compared with an electron diffraction pattern actually obtained by observation with a transmission electron microscope. Then, as shown by a broken line in FIG. 8B, for example, the result is obtained that the number of lattice planes in the [100] direction is larger than that in the [010] and [001] directions. . In this case, the nanoparticles are not cubes but cuboids extending in the [100] direction.

次に、上記のようなシミュレーションを、例えば図8(c)に示すような{110}で構成させた入力モデルから出発して、方位毎の格子面数を決定する。格子面数に応じてその方位におけるナノ粒子の長さが決定される。   Next, the above-described simulation is started from an input model constituted by {110} as shown in FIG. 8C, for example, and the number of lattice planes for each direction is determined. The length of the nanoparticle in that direction is determined according to the number of lattice planes.

同様に図8(d)に示すように{111}からなるナノ粒子を入力モデルとしてシミュレーションを行ってもよい。{100}、{110}、および{111}モデルのうち、実験で得られた電子回折図形を最も説明できるものを選択する。   Similarly, as shown in FIG. 8D, a simulation may be performed using nanoparticles composed of {111} as an input model. Of the {100}, {110}, and {111} models, the one that can best explain the electron diffraction pattern obtained in the experiment is selected.

入力モデルであるので、一種類の格子面から成るナノ粒子の入力モデル計算から出発する。
その結果、例えば{100}および{110}面からナノ粒子は成っているとみなした方がより適切との判断になったとする。仮に、実験で電子回折図形が一枚しか得られていなかったとしても、その電子回折図形からは2方位、すなわち2種類の格子面に対する電子回折スポットが得られているはずである。
Since this is an input model, the calculation starts with an input model calculation of nanoparticles composed of one kind of lattice plane.
As a result, for example, it is determined that it is more appropriate to consider that the nanoparticles are composed of the {100} and {110} planes. Even if only one electron diffraction pattern was obtained in the experiment, the electron diffraction pattern should have obtained electron diffraction spots for two directions, that is, two types of lattice planes.

その格子面が{100}および{110}だったとすれば、{100}および{110}面からなるナノ粒子の入力モデルを構築して図8(a)に示すように、新たな計算(繰り返し)計算を行えば良い。   Assuming that the lattice planes are {100} and {110}, an input model of the nanoparticles composed of the {100} and {110} planes is constructed, and a new calculation (repetition) is performed as shown in FIG. ) You just have to do the calculations.

このようなシミュレーションでナノ粒子の形状を決めた場合には、主要な露出面が何面であるかが明確となる。周知のように、触媒活性など各種化学特性はナノ粒子の露出面毎に著しく異なる。ナノ粒子の優先成長面を特定できるので、本実施形態は、所望特性を有する材料を開発する上で、威力を発揮すると期待される。   When the shape of the nanoparticles is determined by such a simulation, it is clear what the main exposed surface is. As is well known, various chemical properties such as catalytic activity are significantly different for each exposed surface of the nanoparticles. Since the preferred growth surface of the nanoparticles can be specified, the present embodiment is expected to exert its power in developing a material having desired characteristics.

(第6の実施形態)
次いで、本発明に係る微粒子の顕微分析方法の第7の実施形態について説明する。第7の実施形態は、第1および第2の実施形態のように多数枚の電子回折図形が得られる場合に好適な実施形態である。
(Sixth embodiment)
Next, a seventh embodiment of the microscopic analysis method for fine particles according to the present invention will be described. The seventh embodiment is a preferred embodiment when a large number of electron diffraction patterns are obtained as in the first and second embodiments.

図9は、本発明の第7の実施形態に係るフローチャートおよびナノ粒子形状を表した模式図である。
本実施形態では、多数枚の電子回折図形から得られた多数の格子面のデータを用いて、図9(a)に示すように、2〜n種類の格子面から成るナノ粒子の電子回折図形シミュレーションS402、実験で得られた電子回折図形との比較S403を、繰り返しシミュレーション計算を行う。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a flowchart and a nanoparticle shape according to a seventh embodiment of the present invention.
In this embodiment, as shown in FIG. 9A, electron diffraction patterns of nanoparticles composed of 2 to n types of lattice planes are used by using data of many lattice planes obtained from a large number of electron diffraction patterns. The simulation S402 and the comparison S403 with the electron diffraction pattern obtained by the experiment are repeatedly subjected to the simulation calculation.

ナノ粒子の初期の入力モデルおよび途中のナノ粒子の入力モデルは、多種類の格子面から構成されることとなる。多種類の格子面で構成されるため、現実に近い入力モデルを図示するのは困難である。   The initial input model of the nanoparticles and the input model of the intermediate nanoparticles are composed of various types of lattice planes. Since it is composed of various types of lattice planes, it is difficult to illustrate an input model that is close to reality.

多種類とは言い難いが、例えば、入力モデルとして、有限的周期部が単純立方格子で形成されているとし、{100}、{110}、および{111}の3面が露呈しているナノ粒子であって、ナノ粒子の各方位の長さがほぼ等しい場合を想定すると、図9(b)に示すようなナノ粒子の構造モデルが得られることとなる。   Although it is difficult to say that there are many types, for example, as an input model, it is assumed that a finite periodic part is formed by a simple cubic lattice, and three planes of {100}, {110}, and {111} are exposed. Assuming that the particles are substantially equal in length in each direction of the nanoparticles, a structure model of the nanoparticles as shown in FIG. 9B is obtained.

このナノ粒子モデルに第2の実施形態で示したような各原子の部分原子座標法を適用すれば、図9(c)に示すように、各原子の存在位置を再現することができる。   If the partial atomic coordinate method of each atom as shown in the second embodiment is applied to this nanoparticle model, the existing position of each atom can be reproduced as shown in FIG. 9 (c).

以上より、実験でn枚の電子回折図形が得られた際に、本実施形態を適用すれば、多種類の面からなるナノ粒子の形状に留まらず、各原子の存在位置も推定することが可能となる。   As described above, when n electron diffraction patterns are obtained in an experiment, by applying the present embodiment, it is possible to estimate not only the shape of nanoparticles composed of various kinds of surfaces but also the position of each atom. It becomes possible.

(第7の実施形態)
次いで、本発明に係る微粒子の顕微分析方法の第7の実施形態について説明する。
第7の実施形態は、メインスポットおよびラウエサブスポットの強度に着目した実施形態である。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment of the microscopic analysis method for fine particles according to the present invention will be described.
The seventh embodiment focuses on the intensity of the main spot and Laue sub spot.

測定するナノ粒子の有限的周期部の構造変化が小さい場合から、大きい場合に至るまでを順次記述する。
図10は、本発明の第8の実施形態に係る模式図(a)およびグラフ図(b〜e)である。
From the case where the structural change of the finite periodic portion of the nanoparticles to be measured is small to the case where the structural change is large, it is described sequentially.
FIG. 10 is a schematic diagram (a) and graph diagrams (be) according to the eighth embodiment of the present invention.

まず、測定するナノ粒子の有限的周期部の変化が極めて小さい場合について例示する。
例えば、晶系は立方格子のままで、空間群における点群分類もm−3mであるが、空間群自体は変化してしまった場合を考えてみる。このような小さな変化を確認する場合には、メインスポットの強度に着目すればよい。
First, a case where the change in the finite periodic portion of the nanoparticle to be measured is extremely small will be described.
For example, consider a case in which the crystal system remains a cubic lattice and the point group classification in the space group is m-3m, but the space group itself has changed. In order to confirm such a small change, attention should be paid to the intensity of the main spot.

図10に、Fm−3mからFd−3mに空間群が変化している場合を示す。この変化は立方晶系で対角線に沿って原子が交互にずれた場合に相当する。
例えば[101]入射で電子回折図形を撮影すると、図10(a)に示すように、透過電子顕微鏡固有の多重散乱の影響で、Fm−3mからFd−3mの変化を見出すことは困難である。
FIG. 10 shows a case where the space group changes from Fm-3m to Fd-3m. This change corresponds to a case where atoms are alternately shifted along a diagonal line in a cubic system.
For example, when an electron diffraction pattern is photographed at [101] incidence, as shown in FIG. 10A, it is difficult to find a change from Fm-3m to Fd-3m due to the multiple scattering inherent in the transmission electron microscope. .

そこで、[010]軸を軸として試料を傾斜させると、図10(b)に示すように、Fm−3mの[020]および[0−20]スポットはいずれも電子回折図形上に留まる一方で、Fd−3mの[020]および[0−20]スポットは、いずれも消失する。
このように、スポットの消失を確認することにより、空間群は変化しているが、点群分類が変化しない程度の原子変位を捉えた上で、ナノ粒子の形状を決めることが可能となる。
Therefore, when the sample is tilted around the [010] axis, as shown in FIG. 10B, both the [020] and [0-20] spots of Fm-3m remain on the electron diffraction pattern. , Fd-3m, [020] and [0-20] spots disappear.
As described above, by confirming the disappearance of the spot, it is possible to determine the shape of the nanoparticles after capturing the atomic displacement that does not change the point group classification although the space group has changed.

次に、ラウエサブポットの強度変化に着目した実施形態を示す。
まず、得られた電子回折図形のメインスポットおよびラウエサブスポットの強度を求める。メインスポットおよびラウエサブスポットの強度は実格子−逆格子変換を用いても算出可能である。
但し、観察データから高精度で強度を見積もるためには、第2の実施形態で説明したようなフーリエ変換−フーリエ逆変換を用いるのが望ましい。
Next, an embodiment focusing on the strength change of the Laue subpot will be described.
First, the intensities of the main spot and Laue sub-spot of the obtained electron diffraction pattern are obtained. The intensities of the main spot and Laue subspot can also be calculated using a real grid-reciprocal grid transform.
However, in order to estimate the intensity with high accuracy from observation data, it is desirable to use the Fourier transform-Inverse Fourier transform as described in the second embodiment.

ナノ粒子の有限的周期部の各原子は、ナノ粒子という微粒子であるが故にその部分座標は理想位置から変位している場合がある。図11(a)は、この変位によるラウエサブスポットの強度変化を模式的に示したグラフ図である。   Since each atom of the finite periodic portion of the nanoparticle is a nanoparticle, the partial coordinates may be displaced from the ideal position. FIG. 11A is a graph schematically showing a change in the intensity of the Laue sub spot due to the displacement.

各原子の変位が生じると、原子が異なることによる電子線の光路差にばらつきが生じる。そのため、一般的には干渉効果が低下して散漫となり、各サブスポットの強度は低下する。各ラウエサブスポットの強度は全ての格子面から生じた回折の影響を受ける。   When the displacement of each atom occurs, the optical path difference of the electron beam varies due to the different atoms. Therefore, in general, the interference effect is reduced to be diffuse, and the intensity of each sub-spot is reduced. The intensity of each Laue subspot is affected by diffraction generated from all grating planes.

そのため、図11(a)中、(1)〜(3)に示す、各ラウエサブスポットのスポット強度増減量は、各原子の変位量に応じて、ピーク毎に異なる。
したがって、フーリエ変換を用いて強度解析を行えば、各格子面中の各原子の位置(変位量)を見積もることが可能となる。
Therefore, the spot intensity increase / decrease amount of each Laue subspot shown in (1) to (3) in FIG. 11A differs for each peak according to the displacement amount of each atom.
Therefore, if the intensity analysis is performed by using the Fourier transform, it is possible to estimate the position (displacement amount) of each atom in each lattice plane.

通常、ラウエスポット強度は、(1)=(1)’、(2)=(2)’、(3)=(3)’・・・であるが、対称中心自体がずれていれば、(1)≒(1)’、 (2)≒(2)’、(3)≒(3)’・・・となる。   Usually, the Laue spot intensity is (1) = (1) ′, (2) = (2) ′, (3) = (3) ′, etc., but if the center of symmetry itself is shifted, ( 1) ≒ (1) ′, (2) ≒ (2) ′, (3) ≒ (3) ′.

従来のメインスポットに着目し、ラウエサブスポットのスポットを無視する方法では、メインスポットのスポット強度が極めて強いため、微量のメインスポット強度減少を検出するのは極めて困難である。したがって、原子位置の変位、および変位による空間群変化が捉えられる可能性は極めて低い。   In the conventional method of focusing on the main spot and ignoring the Laue sub spot, the spot intensity of the main spot is extremely strong, so it is extremely difficult to detect a slight decrease in the main spot intensity. Therefore, it is extremely unlikely that the displacement of the atomic position and the change of the space group due to the displacement are captured.

一方、本実施形態のようにラウエサブスポットの強度変化に着目すれば、ナノ粒子が有限的周期性を持っていることを活かして、その周期部内の原子の位置ゆらぎ量を、解析できることとなる。   On the other hand, if attention is paid to the intensity change of the Laue sub-spot as in the present embodiment, it is possible to analyze the amount of position fluctuation of atoms in the periodic part by utilizing the fact that nanoparticles have finite periodicity. .

次に、本実施形態を固溶体に適用する場合について説明する。
また、固溶体の固容状態の解析は極めて重要であり、固溶体は、古くから存在する金属材料から近年注目されている電池材料に至るまで様々なものが存在する。
Next, a case where the present embodiment is applied to a solid solution will be described.
Further, the analysis of the solid solution state of a solid solution is extremely important, and there are various solid solutions ranging from metal materials that have been around for a long time to battery materials that have recently attracted attention.

固容状態の解析は、例えば、2種類の元素AおよびBからなる全率固容合金の場合、規則化されていないとすれば、単一原子からなるとして解析すればよい。   The analysis of the solid volume state may be made, for example, in the case of a full-rate solid alloy composed of two types of elements A and B, assuming that the alloy is composed of a single atom if it is not ordered.

2種類の元素AおよびBが規則化されていると、ABAB・・・と交互に原子が並ぶことになる。そうすると、結晶格子は倍周期となって、散乱ベクトルの大きさは半分となるので、図11(b)に示されるように、図11(a)の周期に対して、周期が半分のメインスポット(衛星スポット)を得ることができる。   If the two types of elements A and B are ordered, atoms will be alternately arranged as ABAB. Then, the crystal lattice has a double period, and the magnitude of the scattering vector is halved. Therefore, as shown in FIG. 11B, the main spot having a half period with respect to the period of FIG. (Satellite spot).

但し、2種類の原子の原子番号が近いなどの理由で、衛星スポットが観察しにくい場合がある。その場合でも本発明における顕微分析装置を適用すれば、図11(b)の囲みで示すように、規則化に依るラウエサブスポット配列および強度から規則化度、面方位毎に知ることが可能となる。   However, it may be difficult to observe the satellite spot because the atomic numbers of the two types of atoms are close to each other. Even in such a case, if the microanalyzer according to the present invention is applied, it is possible to know the degree of ordering and the plane orientation from the Laue subspot array and the intensity by ordering, as shown in the box of FIG. Become.

また、合金状態に濃度勾配がある場合のラウエサブスポットの強度を図11(c)に示す。合金状態に濃度勾配があると、ラウエサブスポットの強度変化が生じて、図11(d)中、説明のために示す矢印のように、各ラウエサブスポットのピーク強度は増減する。 なお、ピーク強度の増減の仕方は、原子の組み合わせによるため、一義的には示せないため、図11(c)で矢印にて示した増減は、実施形態説明用の便宜的なものである。   FIG. 11C shows the intensity of the Laue sub-spot when the alloy has a concentration gradient. When there is a concentration gradient in the alloy state, the intensity of the Laue sub-spot changes, and the peak intensity of each Laue sub-spot increases and decreases as indicated by the arrows shown in FIG. Since the method of increasing and decreasing the peak intensity depends on the combination of atoms and cannot be unambiguously indicated, the increase and decrease indicated by arrows in FIG. 11C is for convenience of explanation of the embodiment.

上記ラウエサブスポットは微弱であり、そのピーク強度の増減量は極微少であるため、正確にスポット強度を見積もるためには、フーリエ変換−フーリエ逆変換の適用が有効である。ラウエサブスポットのピーク強度解析により、面方位毎に、有限的周期部の合金濃度勾配を面方位毎に知ることが可能となる。   Since the Laue sub-spot is very weak and the peak intensity increases and decreases very little, it is effective to apply the Fourier transform-Inverse Fourier transform to accurately estimate the spot intensity. By analyzing the peak intensity of the Laue sub spot, it becomes possible to know the alloy concentration gradient of the finite periodic portion for each plane orientation.

また、本実施形態をクラスター化およびアモルファス化した試料に適用する場合について説明する。
クラスター化したナノ粒子は、着目した原子と該原子と最も近接する原子との距離は、結晶化したナノ粒子とほぼ同じであるが、方位にずれが生じる。また、上記着目原子に最も近接する原子よりも遠い原子の配列は、上記着目原子からみると不規則な状態となっている。この場合にも、原子の組み合わせと配位の仕方に依存するため、ラウエサブスポットのピーク強度の増減を解析するには、フーリエ変換−フーリエ逆変換の適用が有効である。
The case where the present embodiment is applied to a clustered and amorphous sample will be described.
In the clustered nanoparticles, the distance between the atom of interest and the atom closest to the atom is almost the same as that of the crystallized nanoparticle, but the orientation is shifted. Further, the arrangement of atoms farther than the atom closest to the target atom is in an irregular state when viewed from the target atom. Also in this case, since it depends on the combination of atoms and the coordination method, the application of Fourier transform-Inverse Fourier transform is effective for analyzing the increase / decrease of the peak intensity of the Laue subspot.

クラスター化したナノ粒子におけるラウエサブスポットの変化は、図11(d)の枠実線矢印にて示すように、ラウエサブスポットの強度の増減に現れる。
ラウエサブスポットはクラスターの中心原子を基準にして生じるため、散乱ベクトル(グラフの横軸の原点)0を基準にして、左右対称性を保ちながら、ラウエサブスポットのピーク強度の増減が生じる。
また、各原子の座標の乱れにより、ラウエサブスポットのピーク間、具体的には、図11(d)の実線囲みにて示す部位に、ラウエサブスポットよりもさらに微弱なスポットが多数現れる。
The change of the Laue sub-spot in the clustered nanoparticles appears in the increase and decrease of the intensity of the Laue sub-spot as shown by the solid line arrow in FIG.
Since the Laue subspot is generated with reference to the central atom of the cluster, the peak intensity of the Laue subspot increases and decreases while maintaining left-right symmetry with respect to the scattering vector (the origin of the horizontal axis of the graph) 0.
In addition, due to the disorder of the coordinates of each atom, many weaker spots than the Laue sub-spot appear between the peaks of the Laue sub-spot, specifically, at a portion surrounded by a solid line in FIG.

上記微弱なスポットは、観察精度にもよるが、スポットというよりは、ラウエサブスポットの裾の乱れとなって観察されると見込まれる。しかし、この乱れをフーリエ変換−フーリエ逆変換を用いてシミュレーションで再現することにより、ナノ粒子のクラスター化度を、面方位毎に見積もることが可能となる。   The weak spot is expected to be observed as a disorder of the foot of the Laue sub spot, rather than a spot, depending on observation accuracy. However, it is possible to estimate the degree of clustering of nanoparticles for each plane orientation by reproducing this disturbance by simulation using Fourier transform-Inverse Fourier transform.

ナノ粒子の不規則化度が更に進行して、もはやクラスター状態を超えてアモルファス状態とみなせる状態に達すると、図11(d)の破線矢印にて示すように、メインスポット強度が低下する。   When the degree of disorder of the nanoparticles further advances and reaches a state in which the nanoparticles can no longer be considered as an amorphous state beyond the cluster state, the main spot intensity decreases as indicated by a broken arrow in FIG. 11D.

散乱ベクトル(グラフの横軸の原点)0から離れたメインスポット(図示していないが、横軸の値が6、9・・・の位置に生じるメインスポット)は、原点から離れれば離れるほど、そのスポット強度は低下する。   The main spot (not shown, but the main spot which is located at the position of the horizontal axis at 6, 9,...) Away from the scattering vector (origin of the horizontal axis of the graph) 0, the further away from the origin, The spot intensity decreases.

そして、完全にアモルファス化したナノ粒子は、着目した原子に対応する横軸の値が0のメインスポットの隣の最初のメインスポット(横軸の値が3および−3の位置に存在するメインスポット)のスポット強度が実質ゼロとなってしまう。   The completely amorphized nanoparticles are the first main spot next to the main spot having a value of 0 on the horizontal axis corresponding to the atom of interest (the main spot having a value of 3 and -3 on the horizontal axis). ) Is substantially zero.

同様な挙動は、図11(d)の破線矢印にて示すように、メインスポットの半値幅にも反映されて、アモルファス化が進行する程、その半値幅は太くなる。
したがって、スポット強度および半値幅をフーリエ変換−フーリエ逆変換を用いて解析することにより、格子面方位毎に、アモルファス化度を見積もることが可能となる。
Similar behavior is also reflected in the half width of the main spot, as indicated by the dashed arrow in FIG. 11D, and the half width becomes larger as the amorphization proceeds.
Therefore, it is possible to estimate the degree of amorphization for each lattice plane orientation by analyzing the spot intensity and the half-value width using Fourier transform-Inverse Fourier transform.

(第8の実施形態)
次いで、本発明に係る微粒子の顕微分析方法の第8の実施形態について説明する。
第8の実施形態は、ビーム照射工程で照射する平行ビームの加速電圧を変化させて、複数の電子回折図形を得るものであり、試料傾斜を伴わないで、多種類の散乱ベクトルに対してメインスポットおよびラウエサブスポットを得ることができる。
(Eighth embodiment)
Next, an eighth embodiment of the microscopic analysis method for fine particles according to the present invention will be described.
In the eighth embodiment, a plurality of electron diffraction patterns are obtained by changing the acceleration voltage of a parallel beam irradiated in a beam irradiation step. Spots and Laue subspots can be obtained.

図12は本発明の第8の実施形態に係るグラフ図である。加速電圧を順次下げることによって、測定対象であるナノ粒子161を透過した電子線が作り出すエバルト球の半径を小さくする。   FIG. 12 is a graph according to the eighth embodiment of the present invention. By sequentially decreasing the acceleration voltage, the radius of the Ewald sphere created by the electron beam transmitted through the nanoparticles 161 to be measured is reduced.

加速電圧が高くエバルト球の径がエバルト球162のように大きい場合には、図12中、黒丸にて示されるように、多数のメインスポット及びそのラウエサブスポットを得ることができる。   When the acceleration voltage is high and the diameter of the Ewald sphere is large like the Ewald sphere 162, a large number of main spots and their Laue sub-spots can be obtained as shown by black circles in FIG.

次に、加速電圧を下げてエバルト球の径を、エバルト球163のように、上記エバルト球162よりも少し小さいものとすると、図12中、ハッチ丸にて示されるように、黒丸とは異なるメインスポット及びそのラウエサブスポットを得ることができる。   Next, assuming that the diameter of the Ewald sphere is slightly smaller than that of the Ewald sphere 162 like the Ewald sphere 163 by lowering the acceleration voltage, as shown by a hatched circle in FIG. The main spot and its Laue subspot can be obtained.

同様に、加速電圧をさらに下げてエバルト球の径を、上記エバルト球163よりも更に小さくすると、図12中、チェック丸にて示されるように、更に別種のメインスポット及びそのラウエサブスポットを得ることができる。
以上示したように、更にエワルド球の径を様々なものとすることにより、種々の方位対して、メインスポット及びそのラウエサブスポットを得ることができる。
Similarly, when the acceleration voltage is further reduced to make the diameter of the Ewald sphere smaller than that of the Ewald sphere 163, as shown by a check circle in FIG. 12, another type of main spot and its Laue subspot are obtained. be able to.
As described above, by further changing the diameter of the Ewald sphere, the main spot and its Laue sub-spot can be obtained in various directions.

本実施形態は試料傾斜を伴わないので、試料をセットする等の工数を、実質的に1枚の電子回折図形を撮る場合の工数と同等な程度に減らした上で、多数枚の電子回折図形を撮影した場合と同様に多数の方位に対するメインスポット及びそのラウエサブスポットが得られる。   Since the present embodiment does not involve the sample tilt, the number of steps for setting the sample and the like is reduced to substantially the same level as the number of steps for taking one electron diffraction pattern, and then the number of electron diffraction patterns is reduced. As in the case where the image is taken, a main spot and its Laue sub-spots for a number of directions are obtained.

また、試料傾斜を行わないので、試料傾斜時の偏芯誤差などの機械誤差要因に巻き込まれることなしに、メインスポット及びそのラウエサブスポットの配列および強度を得ることができる。   Further, since the sample is not tilted, the arrangement and intensity of the main spot and its Laue sub spot can be obtained without being involved in mechanical error factors such as an eccentric error when the sample is tilted.

(自動化)
上記のような解析を、100枚を超えるような多数の電子解析図形について行う状況になると、人力のみでは解析が困難なる。さらに、第2の実施形態で示したようなフーリエ変換−フーリエ逆変換を行う場合には、計算に膨大な時間がかかる。
このような状況においては、電子回折図形の撮影を自動化した電子顕微鏡撮影システムが有効である。
(Automation)
In a situation where the above-described analysis is performed on a large number of electronic analysis figures exceeding 100, it is difficult to perform the analysis using only human power. Furthermore, when performing the Fourier transform-inverse Fourier transform as shown in the second embodiment, it takes an enormous amount of time for calculation.
In such a situation, an electron microscope photographing system in which photographing of an electron diffraction pattern is automated is effective.

上記自動化した電子顕微鏡撮影システムを、有限的周期部の構造を明確にする工程や、フーリエ変換−フーリエ逆変換シミュレーションの繰り返し計算に適用することで、種々の高次数の回折スポットがどこに出現するかを予測できる。
そして、上記予測された回折スポットの出現位置に電子顕微鏡のTiltおよびAzimuth角を移動させる。
By applying the automated electron microscopy imaging system to the step of clarifying the structure of the finite periodic part and the repeated calculation of Fourier transform-Fourier inverse transform simulation, where various high-order diffraction spots appear Can be predicted.
Then, the Tilt and Azimuth angles of the electron microscope are moved to the positions where the predicted diffraction spots appear.

偏芯誤差等によってTiltおよびAzimuth角は、通常、指定の位置からは僅かながら異なっているため、着目した指数のスポット強度の増減を用いて、この移動を終えた段階で、TiltおよびAzimuth角を微調整する。   Since the Tilt and Azimuth angles are usually slightly different from the designated position due to eccentricity error or the like, the Tilt and Azimuth angles are changed at the stage where this movement is completed by using the increase or decrease of the spot intensity of the focused index. Fine tune.

上記微調整を終えた段階で、目的とする電子回折図形を撮影する。得られた電子回折に対して、上記実施形態1〜8を適用する。そうすることで、100枚を超える電子回折図形の撮影が現実的なものとなる。   At the stage where the above fine adjustment is completed, a target electron diffraction pattern is photographed. Embodiments 1 to 8 are applied to the obtained electron diffraction. By doing so, photographing of more than 100 electron diffraction patterns becomes realistic.

得られた電子回折図形が妥当なものであるか、できるだけ早く判断することも重要である。そのためには、上記自動化した電子顕微鏡撮影システムにコンピュータを連結して、フーリエ⇔フーリエ逆変換シミュレーションを即時に行うことが望ましい。   It is also important to determine as soon as possible whether the obtained electron diffraction pattern is appropriate. To this end, it is desirable to connect a computer to the automated electron microscope imaging system and immediately perform Fourier-Fourier inverse transformation simulation.

その結果、電子回折図形撮影時の方位補正が不十分であることが判明した場合には、電子回折図形を再撮影する。このフーリエ−フーリエ逆変換シミュレーションを円滑に行うために、スーパーコンピュータ(HPC:High Perfomance Computer )の活用が好ましい。   As a result, when it is found that the azimuth correction at the time of capturing the electron diffraction pattern is insufficient, the electron diffraction pattern is re-photographed. In order to smoothly perform the Fourier-Fourier inverse transform simulation, it is preferable to use a supercomputer (HPC: High Performance Computer).

以下、実施例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。
白金(Pt)粒子に対し、電子線の入射方位は[100]として電子回折図形を撮影した。図13は実施例、図14は比較例を示す写真図である。
図13は、収束レンズにより電子線の開き角を約1mrad、スポット径がおよそ5nmに絞り込み、これをナノ粒子に照射して撮影したものである。
一方、図14は、収束レンズで電子線を絞る代わりに制限視野絞りを用いることにより、開き角が約0.1mrad、スポット径が約50nmの電子線を図13と同じナノ粒子に照射して撮影したものである。
Hereinafter, the contents of the present invention will be described more specifically with reference to examples.
An electron diffraction pattern was photographed with respect to platinum (Pt) particles with the incident direction of the electron beam set to [100]. FIG. 13 is a photograph showing an example, and FIG. 14 is a photograph showing a comparative example.
FIG. 13 shows an image obtained by narrowing the opening angle of the electron beam to about 1 mrad and the spot diameter to about 5 nm by using a converging lens, and irradiating this with nanoparticles.
On the other hand, FIG. 14 shows an example in which an electron beam having an opening angle of about 0.1 mrad and a spot diameter of about 50 nm is applied to the same nanoparticles as in FIG. It was taken.

図13の右下部の挿入写真から判るように、対象としたPtナノ粒子の大きさは2〜4nmである。Ptナノ粒子はカーボンで担持されている。本発明を実施するに当たっては、ナノ粒子に照射する電子線のスポット径が重要である。しかしながら、現況の電子顕微鏡では前記各実施形態で示したような細径のナノビーム電子ビームを形成するのは困難である。   As can be seen from the inserted photograph at the lower right of FIG. 13, the size of the target Pt nanoparticle is 2 to 4 nm. Pt nanoparticles are supported on carbon. In practicing the present invention, the spot diameter of the electron beam irradiated to the nanoparticles is important. However, it is difficult to form a nanobeam electron beam having a small diameter as described in each of the above embodiments with the current electron microscope.

そのため、図13に示した実施例の写真はナノ粒子よりも大きなスポット径の電子線を照射しているため理想的なものではない。それでも、図14に示す比較例の写真に比べて明らかに回折スポットが明瞭な電子回折図形が得られていることがわかる。
なお、当然のことながら、前記各実施形態で示したようなナノ粒子の径とほぼ同じスポット径の理想的な細径のナノビーム電子ビームを適用すれば、後述する図16に現れている担持カーボンに因るスポット(妨害スポット)も大幅に抑制できる。
Therefore, the photograph of the example shown in FIG. 13 is not ideal because it is irradiated with an electron beam having a spot diameter larger than that of the nanoparticles. Nevertheless, it can be seen that an electron diffraction pattern with clearly clear diffraction spots is obtained as compared with the photograph of the comparative example shown in FIG.
Needless to say, if an ideal small-diameter nano-beam electron beam having a spot diameter substantially equal to the diameter of the nanoparticles as shown in each of the above-described embodiments is applied, the supported carbon shown in FIG. Spots (obstruction spots) due to this can be greatly suppressed.

図15に、上記実施例の写真図中に示す矢印方向のスペクトル図を示す。スペクトル図に示されるように散乱ベクトルの値から求めた(111)格子面間隔は2.2Åであった。Ptの(111)格子面間隔の文献値とほぼ一致した。   FIG. 15 shows a spectrum diagram in the direction of the arrow shown in the photograph of the above example. As shown in the spectrum diagram, the (111) lattice spacing obtained from the value of the scattering vector was 2.2 °. It almost coincided with the literature value of the (111) lattice spacing of Pt.

また、図16に示すように、ラウエサブピークの散乱ベクトルの逆数の値は、29Åであった。したがって、上記Ptナノ粒子は29/2.2≒13枚の格子面で成り立っていることがわかる。すなわち、この実施例から上記Ptナノ粒子の[111]方向の長さは29Åであることがわかる。同様な解析を種々の方位に対して行う。これにより、実質全方位のナノ粒子の長さを知ることができる。   Further, as shown in FIG. 16, the reciprocal value of the scattering vector of the Laue subpeak was 29 °. Therefore, it can be seen that the Pt nanoparticles consist of 29 / 2.2213 lattice planes. That is, this example shows that the length of the Pt nanoparticles in the [111] direction is 29 °. Similar analysis is performed for various directions. Thereby, the length of the nanoparticles in substantially all directions can be known.

また、PtはFm−3m(FCC)構造に属する。(111)格子面はABCスタッキングで構成されているので、[111]方向に(13−1)×3=36個のPt原子が並んでいることになる。   Pt belongs to the Fm-3m (FCC) structure. Since the (111) lattice plane is constituted by ABC stacking, (13-1) × 3 = 36 Pt atoms are arranged in the [111] direction.

本発明の微粒子の顕微分析方法、該微粒子の顕微分析方法に用いる分析装置は、光触媒や燃料電池触媒などナノ粒子であることによって特性を発揮する材料の開発および解析に貢献することができる。   The microscopic analysis method for fine particles of the present invention and the analyzer used for the microscopic analysis method for fine particles can contribute to the development and analysis of materials exhibiting characteristics by being nanoparticles, such as photocatalysts and fuel cell catalysts.

101 メインスポット
102 ラウエサブスポット
111 試料
112 収束レンズ
113 第一中間レンズ
114 第二中間レンズ
115 投影レンズ
116 投影面
117 0次反射機構
118 メインスポット遮断機構
119 検出器
120 制限視野絞り
161 ナノ粒子
162 エバルト球(大)
163 エバルト球(中)
164 エバルト球(小)
101 Main Spot 102 Laue Sub Spot 111 Sample 112 Convergent Lens 113 First Intermediate Lens 114 Second Intermediate Lens 115 Projection Lens 116 Projection Surface 117 0th-Order Reflection Mechanism 118 Main Spot Cutoff Mechanism 119 Detector 120 Restricted Field Stop 161 Nanoparticle 162 Ebalt Sphere (large)
163 Ewald Ball (Medium)
164 Ewald Ball (Small)

Claims (8)

平行ビームを微粒子に照射するビーム照射工程と、
上記微粒子に対する撮影角度及び/又はエバルト球の大きさを変化させて複数の電子回折図形を撮影する検出工程と、
上記電子回折図形の回折スポットを解析して微粒子の形状を決定する配列確認工程と、
を含み、
上記配列確認工程が、上記微粒子の大きさ及び形状を予測した入力モデルと、上記複数の電子回折図形のラウエサブスポットの配列とを比較し、上記入力モデルを修正して上記微粒子の形状を決定するものであることを特徴とする微粒子の顕微分析方法。
A beam irradiation step of irradiating the parallel beam to the fine particles,
A detection step of photographing a plurality of electron diffraction patterns by changing the photographing angle and / or the size of the Ewald sphere for the fine particles;
An array confirmation step of analyzing the diffraction spot of the electron diffraction pattern to determine the shape of the fine particles,
Including
The arrangement confirming step compares an input model predicting the size and shape of the fine particles with an array of Laue sub spots of the plurality of electron diffraction patterns, and determines the shape of the fine particles by correcting the input model. A method for microscopic analysis of fine particles, characterized in that:
上記微粒子が、クラスター部分及び/又はアモルファス部分を有することを特徴とする請求項1に記載の微粒子の顕微分析方法。The microparticle analysis method according to claim 1, wherein the fine particles have a cluster portion and / or an amorphous portion. 上記配列確認工程が、入力モデルと上記複数の電子回折図形のメインスポットおよびラウエサブスポットの配列とを比較することを特徴とする請求項1又は2に記載の微粒子の顕微分析方法。3. The method for microscopic analysis of fine particles according to claim 1, wherein the arrangement confirming step compares an input model with an arrangement of main spots and Laue sub-spots of the plurality of electron diffraction patterns. 上記入力モデルを、有限周期部の格子定数、空間群、部分原子座標を用いて構築することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の微粒子の顕微分析方法。  The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the input model is constructed using a lattice constant of a finite periodic part, a space group, and partial atomic coordinates. 上記配列確認工程が、原子位置確定処理を含むものであり、The sequence confirmation step includes an atomic position determination process,
上記原子位置確定処理が、フーリエ変換及びフーリエ逆変換を用いて原子の位置を決めるものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の微粒子の顕微分析方法。  The method for microscopic analysis of fine particles according to any one of claims 1 to 4, wherein the atomic position determination processing determines an atomic position using Fourier transform and inverse Fourier transform.
上記配列確認工程が、ラウエサブスポットの強度解析を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の微粒子の顕微分析方法。The microscopic analysis method for fine particles according to any one of claims 1 to 5, wherein the sequence confirmation step includes an analysis of Laue subspot intensity. 収束電子回折系で微粒子の撮影角度を確認した後、平行電子ビーム系で電子回折図形を撮影するものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の微粒子の顕微分析方法。7. The microscopic microscope according to claim 1, wherein an electron diffraction pattern is photographed with a parallel electron beam system after confirming a photographing angle of the fine particle with a convergent electron diffraction system. Analysis method. 試料に平行電子線を照射する電子線照射部と、中間レンズと、投影レンズと、0次反射を遮断する0次反射遮断機構と、メインスポット遮断機構と、試料のラウエサブスポットを検出する検出器とを備え、  An electron beam irradiator that irradiates the sample with a parallel electron beam, an intermediate lens, a projection lens, a zero-order reflection blocking mechanism that blocks zero-order reflection, a main spot blocking mechanism, and detection that detects a Laue sub-spot of the sample. With a container,
上記電子線照射部が、電子線を絞り込む収束レンズを有し、該収束レンズが、1.0mrad未満の開き角を形成可能であることを特徴とする微粒子の顕微分析装置。  A microscopic analyzer for fine particles, characterized in that the electron beam irradiator has a converging lens for converging an electron beam, and the converging lens can form an opening angle of less than 1.0 mrad.
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