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Cu-Sn系金属間化合物中に微量添加した元素の位置決定に世界で初めて成功 ~原子レベルの電子顕微鏡解析による新たな材料開発に期待~

 九州大学は2018年8月23日,同大学超顕微解析研究センターの松村 晶センター長らの研究グループが,豪州クイーンズランド大学の野北 和宏教授らと共同して最先端の電子顕微鏡解析研究に取り組み,鉛フリーはんだの銅(Cu)と錫(Sn)の化合物結晶(η-Cu6Sn5)にわずか5%添加されたニッケル(Ni)原子の位置を決定することに世界で初めて成功したと発表した.本研究成果は,材料科学分野で最も注目度の高い学術雑誌の一つであるScripta Materialiaのオンライン速報で公開された(注).

 環境汚染の懸念から欧州連合(EU)は電気・電子機器への鉛の使用制限を勧告し,Snを主成分にした鉛を含まないCu-Sn合金ハンダが世界的に広く使われるようになってきた.Cuが主要元素の電子基板や配線とハンダとの溶融接合部には金属間化合物η-Cu6Sn5が形成されるが,この合金には5つの状態(相)があり,186℃で高温相から低温相に相転移して体積が2%変わる.このため,接合後の冷却や通電による加熱・冷却により,接合部にクラックを生じ電子機器の信頼性を損なう危険性があった.これに対し,Niを数%ほど添加すると,結晶構造の変化が抑えられて接合部の安定性が大幅に改善されることが分かってきた.Cu6Sn5η相の結晶格子はSnの格子点と2種のCu格子点とで構成される.Ni原子がCu2と呼ばれる格子点を占めるという第一原理計算があったが,実験では突き止められていなかった.そこで研究グループは,η-(Cu,Ni)6Sn5金属間化合物結晶格子におけるNiの位置を,原子分解能走査透過電子顕微鏡(STEM)とX線エネルギー分散分光(XEDS)で解析した.

 2つのXEDS検出器を備えたSTEM(日本電子製ARM200F)を加速電圧200kVで使用し,電子線のHAADF(高角度環状暗視野)観察から結晶構造像を,またXEDSにより各元素のマップ(原子配列)を取得した.HAADF像では,格子点にある原子が何であるかは識別できない.Cu1とCu2の格子点の違いは輝度・形状で区別され,原子番号の違う原子の像は輝度で区別できるが,原子番号の近いNiとCuの区別はできない.HAADF像にXEDS像を重ねて元素まで区別した結晶構造像が得られる.しかし,XEDS像でSnとCuの原子配列は分かるが,Niのマップではノイズに埋もれてNiの位置が分からない.そこで,Principal Component Analysis(Poisson NLPCA)という名のアルゴリズムの先端的な数理データ処理を行い,ノイズの少ない鮮明なNiマップを得てHAADF像と重ね合わせ,Niの位置を確定することに成功した.この結果,Ni原子がCu2結晶格子点に位置することを突き止めることができた.Cu1とCu2格子点の比率は5:1であり,そのCu2格子点のほぼ半分が,4.8%含有のNiで占められていることが分った.

 Ni原子位置が実験で直接明らかにされたのは世界で初めてという.η-Cu6Sn5化合物結晶の安定化機構の原理解明が進み,さらに高性能な材料開発が前進することが期待される.本研究で培った実験手法は他の様々な化合物結晶にも適用でき,原子レベルの構造解析の高度化で新たな材料開発に貢献したいとしている.
 
(注)Wenhui Yanga, Tomokazu Yamamotoa, Kohei Asoa, Flora Somidinc, Kazuhiro Nogitac, and Syo Matsumura, "Atom locations in a Ni doped η-(Cu,Ni)6Sn5 intermetallic compound", Scripta Materialia, Vol. 158, 1 January 2019, pp. 1-5, doi: 10.1016/j.scriptamat.201808.02; Available online 16 August 2018