Loading article…
透過型電子顕微鏡(TEM) を使用して生成された画像、回折パターン、電子エネルギー損失スペクトルを検出および記録するためのさまざまなテクノロジが存在します。
従来の検出技術
伝統的に、TEM 像や回折パターンは、粉末ZnSまたは ZnS/CdSからなる蛍光表示スクリーンを使用して観察され、これは電子線によって陰極線ルミネッセンスを介して励起されます。[1]顕微鏡操作者が表示スクリーン上で適切な画像を確認できたら、次にその画像を写真フィルムを使用して記録します。電子顕微鏡の場合、フィルムは通常、プラスチック製の支持ベース上のゼラチンとハロゲン化銀乳剤層で構成されていました。[2]ハロゲン化銀は電子線にさらされると銀に変換され、その後フィルムを化学的に現像して画像を形成し、フィルム スキャナーを使用して分析用にデジタル化できます。[2]現代の TEM では、フィルムは主に電子検出器に置き換えられています。
CCDカメラ
電荷結合素子（CCD）カメラは、1980年代に初めて透過型電子顕微鏡に適用され、その後広く普及しました。[3] [4] TEMで使用する場合、CCDは通常、単結晶イットリウムアルミニウムガーネット（YAG）などのシンチレータと結合され、電子ビームからの電子が光子に変換され、光ファイバープレートを介してCCDのセンサーに転送されます。[1]その主な理由は、高エネルギー電子ビームに直接さらされるとセンサーCCDが損傷するリスクがあるためです。TEM用の一般的なCCDには、センサーの温度を約-30°Cに下げるペルチェ冷却装置も組み込まれており、暗電流が低減し、信号対雑音比が向上します。[1]
CMOSカメラ
2006 年以降、相補型金属酸化膜半導体(CMOS) エレクトロニクスに基づくシンチレータと光ファイバーを組み合わせたカメラがTEM 用に市販されるようになりました。[5] CMOS カメラは、CCD カメラと比較して電子顕微鏡での使用にいくつかの利点があります。1 つの利点は、CMOS カメラは CCD カメラよりもブルーミング (過飽和ピクセルから近くのピクセルへの電荷の拡散) が発生しにくいことです。[6]もう 1 つの利点は、CMOS カメラの方が読み出し速度が速いことです。[7]
直接電子検出器
CCDやCMOSカメラで電子を光子に変換するのにシンチレータを使用すると、これらのデバイスの検出量子効率（DQE）が低下します。シンチレータを持たず、電子ビームに直接さらされる直接電子検出器は、通常、シンチレータ結合型カメラよりも高いDQEを提供します。[2] [8]直接電子検出器には主に2つのタイプがあり、どちらも2000年代に電子顕微鏡に初めて導入されました。[9] [10]
ハイブリッドピクセル検出器は、ピクセルアレイ検出器（PAD）とも呼ばれ、各ピクセルが並列に読み出される独立した電子チップに結合したセンサーチップを特徴としています。ピクセルは通常、幅が広く、厚みがあります。たとえば、Tateら[11]が説明した電子顕微鏡ピクセルアレイ検出器（EMPAD）の場合は150 x 150 x 500 μmです。この大きなピクセルサイズにより、各ピクセルが高エネルギー電子を完全に吸収し、高いダイナミックレンジを実現できます。ただし、ピクセルサイズが大きいため、センサーに組み込むことができるピクセルの数が制限されます。[11]
TEM 用のモノリシックアクティブ ピクセル センサー(MAPS) は、電子ビームへの直接照射に耐えられるように放射線耐性を強化した CMOS ベースの検出器です。MAPS の感応層は通常非常に薄く、厚さは 8 μm 程度です。[10]これにより、センサーの検出層内で電子ビームからの電子の横方向の広がりが減り、ピクセル サイズを小さくすることができます (例: Direct Electron DE-16 の場合は 6.5 x 6.5 μm)。[12]ピクセル サイズが小さいほど、センサーに多数のピクセルを組み込むことができますが、ダイナミック レンジは通常、ハイブリッド ピクセル検出器よりも制限されます。[12]
走査型透過電子顕微鏡 (STEM) 用検出器
走査型透過電子顕微鏡（STEM）では、焦点を絞ったプローブが関心領域上を走査し、各プローブ位置で信号が記録されて画像が形成される。このためには、試料の広い領域を照射する従来のTEM画像化とは異なるタイプの検出器が必要となる。従来のSTEM画像化には、環状暗視野（ADF）検出器などの検出器が使用され、ラスターの各位置で所定の散乱角度範囲内の電子から生じる信号を積分する。このような検出器は、通常、光電子増倍管に接続されたシンチレータで構成される。[13]
1994年に初めて導入されたセグメント化STEM検出器は、微分位相コントラスト情報を取得することを可能にする。[14]
4D STEMでは、前述のハイブリッドピクセルやMAPS直接電子検出器などのイメージングカメラを使用して、各STEMラスター位置で収束ビーム電子回折（CBED）パターン全体を記録します。 [12]得られた4次元データセットを分析して、任意のSTEM画像を再構築したり、試料から歪みや電場マップ、磁場マップなどの他の種類の情報を抽出したりできます。[15]
参考文献
- ^ abc ライマー、ルートヴィヒ; コール、ヘルムート (2008).透過型電子顕微鏡像形成の物理学(第 5 版). シュプリンガー. pp. 126–138. ISBN 978-0387400938。
- ^ abc Zuo, Jian Min; Spence, John CH (2017).ナノサイエンスにおける先進透過型電子顕微鏡イメージングと回折. Springer. pp. 223–228. ISBN 978-1493966059。
- ^ Roberts, PTE; Chapman, JN; MacLeod, AM (1982). 「CTEM用のCCDベースの画像記録システム」Ultramicroscopy . 8 (4): 385–396. doi :10.1016/0304-3991(82)90061-4 . 2020年5月11日閲覧。
- ^ Spence, JCH; Zuo, JM (1988). 「電子回折およびイメージングのための広いダイナミックレンジの並列検出システム」. Review of Scientific Instruments . 59 (9): 2102–2105. Bibcode :1988RScI...59.2102S. doi :10.1063/1.1140039.
- ^ Tietz, HR (2008). 「透過型電子顕微鏡用 64メガピクセル光ファイバー結合CMOS検出器の設計と特性評価」。顕微鏡および微量分析。14 (S2): 804–805。Bibcode :2008MiMic..14S.804T。doi : 10.1017 /S1431927608084675。S2CID 139268503。2020年5月11 日閲覧。
- ^ Herres, David (2019年5月29日). 「CCDとCMOSイメージセンシングの違い」. WTWH Media LLC . 2020年5月11日閲覧。
- ^ Moynihan, Tim (2011年12月29日). 「CMOSがカメラセンサーの戦いに勝利、その理由はここにある」. TechHive . 2020年5月11日閲覧。
- ^ Cheng, Yifan; Grigorieff, Nikolaus; Penczek, Pawel A.; Walz, Thomas (2015-04-23). 「単粒子クライオ電子顕微鏡法入門」. Cell . 161 (3): 438–449. doi :10.1016/j.cell.2015.03.050. ISSN 0092-8674. PMC 4409659. PMID 25910204 .
- ^ Faruqi, AR; Cattermole, DM; Henderson, R.; Mikulec, B.; Raeburn, C. (2003). 「電子顕微鏡用ハイブリッドピクセル検出器の評価」Ultramicroscopy . 94 (3–4): 263–276. doi :10.1016/S0304-3991(02)00336-4. PMID 12524196 . 2020年5月11日閲覧。
- ^ ab ミラッツォ、AC;ルブラン、P.ダットワイラー、F.ジン、L.バウワー、JC。ペルティエ、S.エリスマン、M.ビーザー、F.マティス、HS;ウィーマン、H.ディーンズ、P.クラインフェルダー、Ｓ．ニューハンプシャー州シュオン (2005)。 「電子顕微鏡用検出器としてのアクティブピクセルセンサーアレイ」。超顕微鏡検査。104 (2): 152–159。土井：10.1016/j.ultramic.2005.03.006。PMID 15890445 。2020 年5 月 11 日に取得。
- ^ ab Tate, MW; Purohit, P.; Chamberlain, D.; Nguyen, KX; Hovden, R.; Chang, CS; Deb, P.; Turgut, E.; Heron, JT; Schlom, D.; Ralph, D.; Fuchs, GD; Shanks, KS; Philipp, HT; Muller, DA; Gruner, SM (2016). 「走査透過型電子顕微鏡用高ダイナミックレンジピクセルアレイ検出器」.顕微鏡および微小分析. 22 (1): 237–249. arXiv : 1511.03539 . Bibcode :2016MiMic..22..237T. doi :10.1017/S1431927615015664. PMID 26750260. S2CID 5984477 . 2020年5月11日閲覧。
- ^ abc Levin, BDA; Zhang, C.; Bammes, B.; Voyles, PM; Bilhorn, RB (2020). 「直接電子検出器を備えた4D STEM」。顕微鏡と分析(46): 20–23 。 2020年5月11日閲覧。
- ^ Kirkland, EJ; Thomas, MG (1996). 「STEM 用高効率環状暗視野検出器」Ultramicroscopy . 62 (1–2): 79–88. doi : 10.1016/0304-3991(95)00092-5 . PMID 22666919.
- ^ Haider, M.; Epstein, A.; Jarron, P.; Boulin, C. (1994). 「角度分解イメージングのための多用途でソフトウェアで設定可能なマルチチャンネルSTEM検出器」Ultramicroscopy . 54 (1): 41–59. doi :10.1016/0304-3991(94)90091-4 . 2020年5月11日閲覧。
- ^ Ophus, C. (2019). 「 4次元走査透過電子顕微鏡法（4D-STEM）：走査ナノ回折からタイコグラフィーまで、そしてその先へ」。顕微鏡と マイクロ分析。25 （3）：563–582。Bibcode ：2019MiMic..25..563O。doi ：10.1017/S1431927619000497。PMID 31084643。