2012年2月7日
左から仓田准教授、治田研究员
治田充貴 化学研究所研究員（日本学術振興会特別研究員、現 物質?材料研究機構）と倉田博基 同准教授の研究グループは、走査型透過電子顕微鏡を用いて有機結晶薄膜の原子分解能観察に成功し、結晶粒界に特異な欠陥構造が存在することを実証しました。
近年、透过电子顕微镜の性能は飞跃的な発展を遂げており、特に、电子レンズの球面収差を补正する技术の开発は、原子を直接観察することを可能にしてきました。しかし、有机结晶を観察する场合には、电子线により结晶が损伤する问题があるため、有机分子に特有の炭素や窒素原子といった分子内の軽い元素を観察することは困难でした。
今回の研究は、球面収差补正装置とナノティップ电子銃を搭载した走査型透过电子顕微により、原子サイズ以下の电子ビームを用いて、微小な电子线量で高精细の画像を撮影できることを明らかにしました。その结果、有机结晶中の炭素原子と窒素原子を可视化することに成功し、结晶粒界において配向が异なる分子が存在することを実証したものです。この欠陥构造の発见は、有机材料の物性にも影响する可能性を示しています。このように、本研究成果は、有机トランジスタをはじめとする有机デバイスの新たな构造评価法として大きく期待されています。
本成果は、英国ネイチャー出版グループが専门领域の科学を横断するオンラインジャーナルとして昨年创刊したScientific Reports に、2012年2月7日午后11时（ロンドン时间午后2时）に公开されました。
研究の背景
結晶中の原子を直接観察することは、最近の電子顕微鏡技術では一般的なことになっています。しかし、それは金属や半導体といった無機結晶の観察に限られており、有機結晶では困難を伴っておりました。それは、電子線により結晶が容易に破壊されてしまうためで、それを低減する技術開発はこれまで多くの試みがなされてきました。化学研究所においては、過去の研究成果として、有機結晶中の原子の直接観察に世界で初めて成功しましたが（1978年、植田、小林、藤吉 他による）、有機分子中の炭素や窒素原子といった軽い元素を観察することができず、それらを可視化することは長年の夢でした。
研究の内容と今后の展望
今回の研究で撮影された有机结晶は、塩素化铜フタロシアニンと呼ばれる分子が规则正しく配列した材料です。これは、これまでの研究においても伝统的に観察されてきた分子で、电子线に対して最も耐性のある有机分子としても知られています。これまで、この分子を构成している元素のうち、分子周辺の塩素と中心の铜の配列は撮影されていました。今回、球面収差补正装置を组み込んだ走査型透过电子顕微镜により、直径0.1苍尘以下の电子ビームを形成すると同时に、ナノティップ电界放射电子銃を用いることで、分子の骨格となる炭素と窒素原子の配列を可视化することに成功しました。撮影に成功した大きな理由は、1辫础（10-12础）という微小な电流を持つ、0.1苍尘以下のごく微细な电子ビームを用いたことで试料の照射损伤が大幅に低减し、高精细に电子ビームを走査することが可能になったからです。
この新しい技术により、有机结晶中の粒界（结晶の粒同士が接している界面）において、结晶粒内の分子の配向とは异なる分子が存在していることを明らかにすることができました。しかも、その配向の异なる分子の数は限られており、粒界においては1から3分子层のみであることも明らかになりました。
有机分子は特异な形を有しているため、分子の并ぶ向きが异なると、电気伝导などの物性が変化することが知られています。今回観察したフタロシアニン分子は、有机电界効果トランジスタの材料としても応用が期待されている分子の一つです。新たに発见された特异な欠陥构造は、有机结晶に特有のもので、物性にも影响を及ぼすものと考えられ、有机デバイスの开発においても重要な知见といえます。このように、结晶のなかで局所的な领域における构造の乱れを直接観察し、その特性を明らかにできるのは透过电子顕微镜だけです。今回の成果は、电子顕微镜のもつ高い分析机能を有机デバイス材料の构造评価に适用できることを示したもので、今后の展开が期待されます。
参考図
 円环明视野法による分子像 |  円环暗视野法による分子像 |
 结晶粒界における配向の异なる分子 |  塩素化铜フタロシアニン分子 |
书誌情报
（京都大学学术情报リポジトリ（碍鲍搁贰狈础滨））
“Direct observation of crystal defects in an organic molecular crystals of copper hexachlorophthalocyanine by STEM-EELS”
Mitsutaka Haruta, Hiroki Kurata
Scientific Reports, 2, 252; DOI:10.1038/srep00252 (2012).
なお、本研究で使用された电子顕微镜は文部科学省のリーディングプロジェクト（2005年度～2007年度）の支援を受けて开発されたものです。
- 京都新聞（2月8日 23面）に掲載されました。