筑波大，SEMとフェムト秒レーザーで物質の瞬間観察

筑波大学の研究グループは，走査電子顕微鏡（SEM）とフェムト秒レーザーを組み合わせ，物質の瞬間的な状態を観察できる超高速時間分解走査電子顕微鏡計測装置を開発した（ニュースリリース）。

半導体エレクトロニクスは，微細化・高速化が進歩した結果，従来の電気的な測定方法では，デバイスの動的特性を精密に測定することが困難になってきた。

研究グループでは，照射する電子線が数10ピコ秒という非常に短い時間の間だけ多数の電子を含むようにパルス化し，瞬間的な試料の状態を反映したSEM画像を取得できる走査型超高速電子顕微鏡法（SUEM）を開発しており，今回，このSUEMを電子デバイスの性能評価に用いることを試みた。

SUEMの鍵は，電子線をごく短い時間の間だけ生じさせること。そのために，フェムト秒レーザーとして，時間幅300フェムト秒の近赤外線パルスを使った。

この光をビームスプリッターで分割し，片方を非線形光学結晶を用いて紫外線パルスへと波長変換し，SEMの電子源へと照射すると，紫外線によって電子源の先端で光電効果により電子パルスが発生する。

この電子パルスが，電子源の下方に設置された直径0.7mmの穴が開いたミラーを通過して試料まで到達し，瞬間的なSEM像を取得することができる。また，試料に変化を引き起こすための光として，非線形光学結晶による波長変換により試料が吸収しやすい可視光パルスを用いた。

まず，試料として光伝導アンテナデバイスを作製した。半導体GaAs基板上に金のクシ型電極が対向して配線されており左側を陰極，右側を陽極として通常のSEM観察を行なった。

両極が同電位の場合，電位が等価なので陽極も陰極も同じ明るさに見えるが，3Vの電位差を印加すると，陽極に対して陰極が明るくなっている様子が観察された。

次に，このデバイスに対して，SUEMによる時間分解観察を行なった。この時の様子を，可視光パルスの照射からの経過時間ごとに観察した。すると，可視光パルスの照射前では，まだ充電された状態であるため陰極が明るく見えるが，照射した瞬間から充電が減り，50ピコ秒経過後には両極が同じ信号強度を示し，充電が完全に解消したことが分かった。

また，光照射から625ピコ秒が経過すると陰極がわずかに明るくなった。陰極部分の電位の時間変化をプロットしたところ，光照射から43ピコ秒で充電が解消され，その状態が500ピコ秒ほど継続した後に再充電が始まる様子を連続的に捉えることに成功した。

研究グループは，今後，電子デバイス開発のさらなる加速や，新しい原理のデバイスの創出などへの応用が期待されるとしている。