環境走査型電子顕微鏡

環境走査型電子顕微鏡( ESEM )は、試料室内にガス環境を作り出すことで、濡れた試料、コーティングされていない試料、またはその両方の試料の電子顕微鏡写真を収集できる走査型電子顕微鏡(SEM) です。改良された SEM の内部チャンバー内で濡れた試料を観察することには以前から成功していましたが、ESEM は、標準的なEverhart-Thornley 検出器ではなく特殊な電子検出器と差動ポンプ システムを備えており、電子ビームを銃領域の高真空から試料室内で達成可能な高圧に移動できるため、自然な状態の試料を画像化するために設計された完全かつ独自の装置となっています。この装置は、もともとニューサウスウェールズ大学に勤務していたGerasimos Danilatosによって設計されました。

マンフレッド・フォン・アルデンヌ^[1]に始まり、従来の走査透過型電子顕微鏡と組み合わせて、水または大気ガスを含む「環境」セル内の標本を検査する初期の試みが報告されました。^{[2] [3] [4] [5]}しかし、SEMでの湿った標本の最初の画像は、1970年にレーンによって報告されました^[6]。レーンは、標本表面の観察点の上に水蒸気の微細なジェットを注入しました。機器に何の改造もせずに、ガスは標本チャンバーの真空中に拡散しました。さらに、シャーとベケットは、1977年^[7]と1979年に、植物標本の導電性を維持し、吸収された標本電流モードを使用して信号検出を可能にするために、差動ポンプセルまたはチャンバーの使用を報告しました。 ^[8]スピヴァックら1977年、Robinsonらは、差動排気や電子透過フィルムを使用して試料を湿潤状態に維持するなど、SEMにおけるさまざまな環境セル検出構成の設計と使用について報告した。^[9]これらのセルは、その性質上、限られた用途しか使用されず、それ以上の開発は行われなかった。1974年、Robinson ^{[10]は、後方散乱電子検出器と単一}開口部による差動真空排気を使用し、氷点下で約600 Paの圧力の水蒸気を導入する改良型アプローチを報告した。しかし、どちらのアプローチでも、日常的な操作に十分安定した装置にはならなかった。 1978年にシドニーのニューサウスウェールズ大学でロビンソンと研究を始めたダニラトスは、徹底した定量的研究と実験を行い、室温と7000 Paまでの高圧で顕微鏡を安定して動作させることに成功し、1979年に報告されました。^[11]その後数年間、ダニラトスは独立して研究を行い、真空から1気圧までのあらゆる圧力で動作できる環境または大気走査型電子顕微鏡（ASEM）の設計と構築に関する一連の研究を報告しました。^{[12] [13] [14] [15]}これらの初期の研究には、差動ポンプシステムと後方散乱電子（BSE）検出器の最適化が含まれていましたが、1983年にダニラトスは環境ガス自体を検出媒体として使用することを発明しました。1980年代は、ESEMの基礎^[16]とガス検出装置（GDD）の理論を包括的に扱った2つの主要な研究の出版で終わりました。^[17]さらに、1988年に、最初の商用ESEMが、ダニラトスESEMの商用化を希望するベンチャーキャピタル会社のElectroScan Corporation ^[18]によってニューオーリンズで展示されました。同社はGDDの二次電子（SE）モードに重点を置き^[19]、一連の重要な特許を追加して商用ESEMの独占を確保しました。^{[20] [21] [22] [23]} Philips社とFEI社^{[24]がElectroScan社を引き継いで商用ESEM機器を提供しました。重要な特許の失効とダニラトス社の支援により、後にLEO [24] （} Carl Zeiss SMTが後継）によって新しい商用機器が市場に投入されました。シドニーでのオリジナルの実験用プロトタイプESEMの研究や、世界中のさまざまな用途で商用ESEMを使用している他の多くの研究者から、現在までにさらなる改良が報告されています。初期の包括的な参考文献は1993年にダニラトスによって編纂されましたが[ ^25]、より最近の調査はモーガン（2005）の博士論文に記載されています。^[26]

ESEM は、走査電子ビームと電磁レンズを使用して、従来の SEM と同じ方法でビームを試料表面に集束および誘導します。非常に小さく集束された電子スポット (プローブ) が、小さな試料領域上をラスター形式で走査されます。ビーム電子は試料表面層と相互作用し、さまざまな信号 (情報) を生成し、適切な検出器で収集されます。これらの検出器の出力は、適切な電子機器を介してモニターの画面を変調し、小さなラスターと試料表面から発せられるピクセルごとの情報に対応する画像を形成します。これらの共通原理以外にも、ESEM はいくつかの点で SEM とは大きく異なりますが、これらはすべて、機器の正しい設計と操作に重要です。以下の概要では、これらの要件とシステムの動作について説明します。

高圧ガス環境を維持する試料室は、通常圧力制限開口部 (PLA) と呼ばれる少なくとも 2 つの小さな開口部によって電子光学カラムの高真空から分離されています。最初の開口部 (PLA1) から漏れたガスは、下流領域 (つまり開口部の真上) の圧力を大幅に下げるポンプによってシステムからすばやく除去されます。^[14]これは差動ポンピングと呼ばれます。一部のガスは低圧領域 (ステージ 1) からさらに第 2 の圧力制限開口部 (PLA2) を通って上部カラムの真空領域に逃げ、第 2 ステージ差動ポンピング (ステージ 2) を構成します。概略図は、試料室、中間キャビティ、上部電子光学カラムを含む基本的な ESEM ガス圧力ステージを示しています。^[27]達成される対応する圧力は p ₀ >>p ₁ >>p ₂であり、これはタングステンタイプの電子銃を使用する顕微鏡にとって十分な条件です。 LaB ₆や電界放出型電子銃に必要なさらに高い真空を実現するために、追加のポンピング ステージを追加することもできます。圧力制限アパーチャの設計と形状は、アパーチャを通過する圧力勾配 (遷移) をできるだけ急峻にするために重要です。これは、PLA1 を流れるガスの等密度線に示されているように、薄いプレート上に作られ、下流方向に先細りになっているオリフィスによって実現されます。これは、ガス分子の衝突と空間内での動きをリアルタイムでコンピューター シミュレーションすることによって実行されました。^{[28] [29]}アパーチャを通過するガスの等密度線図では、アパーチャ半径の数倍の長さにわたってガス密度が約 2 桁減少することがすぐにわかります。これは、高圧試料室をその上の低圧および真空領域から分離できるようにする最初の原理を定量的に鮮明に実証しています。

このような手段により、様々な計測状況でのガスの流れ場が研究され、^[30]その後電子ビーム伝達が定量化されました。

差動ポンピングを使用することで、電子ビームが生成され、電子銃から PLA2 まで上部カラムの真空内で自由に伝播します。PLA2 から先は、電子ビームはガス分子による電子散乱により徐々に電子を失います。最初は、中間キャビティ内での電子散乱の量は無視できますが、ビームが PLA1 によって形成されるますます密度の高いガスジェットに遭遇すると、損失が顕著になります。^[29]ビームが試料室に入ると、電子損失は、支配的な圧力、ガスの性質、ビームの加速電圧に応じた速度で指数関数的に増加します。PLA1 軸に沿って透過するビームの割合は、特定の積p ₀ Dに対する一連の特性曲線で確認できます。 ^[29]ここで、D は開口部の直径です。最終的に、電子ビームは完全に散乱して失われますが、これが起こる前に、有限の距離にわたって元の焦点スポットに有用な量の電子が保持され、イメージングに使用できます。これが可能なのは、除去された電子が散乱し、集束スポットを囲むスカート（電子スカート）のような広い領域に分布するためです。 ^[31]電子スカートの幅はスポット幅よりも桁違いに大きく、電流密度は桁違いに小さいため、スカートは中心スポットによって生成されるコントラストに参加することなく、バックグラウンド（信号）ノイズのみに寄与します。電子ビームがイメージング目的に有効であり続ける圧力、距離、ビーム電圧の特定の条件は、先行文献で使用されている単一散乱、複数散乱、多重散乱モードと区別して、オリゴ散乱モード^[32]と呼ばれています。

与えられたビーム加速電圧とガスに対して、有用な画像化が可能な PLA1 からの距離 L は、チャンバー圧力 p ₀に反比例します。経験則として、空気中の 5 kVビームの場合、積 p ₀ L = 1 Pa·m 以下である必要があります。電子ビーム転送のこの 2 番目の原則により、ESEM の設計と操作は、試料の移動と操作、および信号検出を制御するすべてのデバイスの改良と小型化に集中します。問題は、機器が物理的限界近くで動作し、最適なパフォーマンスと機能範囲に対応するのに十分なエンジニアリング精度を達成することです。^{[29] [33]}特定のマシンが最適なパフォーマンス能力から逸脱した場合を考慮して、性能指数が導入されました。^[33]

電子ビームは試料に衝突し、加速電圧と試料の性質に応じて特定の深さまで浸透します。その後の相互作用から、SEM と同じように信号が生成されます。つまり、二次電子と後方散乱電子、X 線、および陰極ルミネッセンス(光) が得られます。これらの信号はすべて ESEM でも検出されますが、検出器の設計と使用される原理には一定の違いがあります。

SEM の従来の二次電子検出器 ( Everhart-Thornley 検出器) は、この検出器に関連するキロボルトのバイアスによって電気放電 (アーク放電) が発生するため、ガスが存在する環境では使用できません。代わりに、このモードでは環境ガス自体がイメージング用の検出器として使用されています。

ガス検出器（GDD）は、簡単に言えば、最大数百ボルトの電圧を印加できる電極を使用してESEM内で二次電子を収集する。このSE検出器の原理は、距離dで隔てられた2枚の平行板を電位差Vで考え、均一な電界E = V/dを生成すると最もよく説明され、添付のGDDの図に示されている。 ^{[17] [27]}ビームが衝突した時点で試料から放出された二次電子は、電界力によって陽極電極に向かって駆動されるが、電子はガス分子との衝突による熱拡散によっても放射状に移動する。陽極バイアスVの値が一定で、圧力・距離の積p・d = 1 Pa・mの一定値の場合、陽極半径r内の電子収集率Rのr/dに対する変化は、添付のGDD効率特性曲線で示される。この装置のパラメータが適切に設計されていれば、すべての二次電子が検出される。これは、中程度のバイアスのみで、コレクタ電極の小さな半径内で実質的に 100% の効率が可能であることを示しています。これらのバイアス レベルでは、壊滅的な放電は発生しません。代わりに、電子がガス分子と衝突して新しい電子を放出し、陽極に向かう途中で、制御された比例電子増幅が生成されます。このアバランシェ増幅の原理は、高エネルギー放射線を検出するために使用される比例カウンタと同様に機能します。陽極によってこのようにピックアップされた信号はさらに増幅および処理され、ディスプレイ スクリーンを変調して、SEM のように画像を形成します。特に、この設計と関連するガス電子増幅では、積p·dは独立したパラメーターであるため、同じ特性で説明できる圧力と電極形状の値が広範囲にわたります。この分析の結果、特定の機器のエンジニアリング効率に応じて、高圧のガス環境でも二次電子を検出できることがわかります。

GDDのさらなる特徴として、電子雪崩に伴ってガスシンチレーション雪崩も発生し、光電子増倍管で発生した光を検出することで、対応するSE画像を日常的に作成することができます。このモードの周波数応答により、真のTVスキャン速度を使用することができます。^[34]この検出器モードは、最新世代の市販機器で採用されています。

この新しい GDD は、ESEM で初めて可能となり、真空中の電子の自由軌道を検出器の方向に曲げることができない Everhart-Thornley SE 検出器ではこれまで不可能だった、実質的に 100% の SE 収集効率を実現しました。^[17]以下でさらに説明するように、後方散乱電子も信号ガス相互作用によって検出されるため、この汎用ガス検出器のさまざまなパラメータを制御して、SE 画像から BSE 成分を分離する必要があります。そのため、これらの検出器 (当時は ESD (環境二次検出器) ^[35]および GSED (ガス二次電子検出器) ^{[36]と呼ばれていました) では、ほぼ純粋な SE 画像を生成するように注意が払われてきました。}

後方散乱電子 (BSE) は、ビームと試料の相互作用により試料から後方に放出される電子で、電子は弾性散乱および非弾性散乱を受けます。従来の定義では、そのエネルギーは 50 eV から一次ビームのエネルギーまでです。これらの電子の検出と画像化には、SEM でシンチレーション材料と固体材料が使用されてきました。これらの材料は、GDD による BSE 検出と画像化に加えて、ESEM でも採用され使用されています。

BSE は GDD の電極間のガス容積を通過し、追加のイオン化とアバランシェ増幅を生成します。二次電子が支配的で BSE の寄与が小さいか無視できる内側容積があり、外側のガス容積は主に BSE の影響を受けます。対応する検出容積を分離して、GDD でほぼ純粋な BSE 画像を作成することも可能です。2 つの信号、SE と BSE の相対的な強度の関係は、ESEM の電荷分布の詳細な方程式によって解明されています。^[37]平面電極の分析は、関連する原理と要件を理解する上で不可欠であり、GDD の公開理論で説明されているように、電極構成の最適な選択を示すものではありません。

上記の開発にもかかわらず、ESEM 専用の BSE 検出器は重要な役割を果たしてきました。なぜなら、BSE は依然として最も有用な検出モードであり、SE では得られない情報をもたらすからです。従来の BSE 検出手段は、ESEM のガス状態で動作するように調整されています。高エネルギーの BSE は、ガス分子による大きな妨害を受けることなく、対応する検出器まで自走します。すでに、この目的のために環状または四分円の固体検出器が使用されていますが、それらの形状は、最適な動作のための ESEM の要件に簡単には適合しません。その結果、高圧下での本物の ESEM 装置でこれらの検出器が使用されたという報告はあまりありません。「ロビンソン」BSE 検出器^[38]は、試料の帯電を抑制するために、従来の SEM の通常の動作距離で約 100 Pa まで動作するように調整されていますが、短い動作距離と高圧条件での電子収集は、ESEM には適していません。しかし、簡単に適応できるプラスチックシンチレーション材料が BSE に使用され、システムの最も厳しい要件に合わせて作られています。このような作業の結果、円錐形の PLA1 の鞍部に配置され、その縁に接する 1 対のくさび形検出器が使用され、添付の最適な BSE 検出器の図に示すように、デッド検出スペースが最小限に抑えられました。^[14]光子伝導もライトパイプの形状によって最適化され、対称的な 1 対の検出器により、試料表面のトポグラフィー (信号減算) と原子番号コントラスト (信号加算) を分離して、これまでで最高の信号対雑音比で表示できるようになりました。この方式により、さまざまな信号を意味のある方法で重ね合わせることで、さらに色を使用することができました。^[39] ESEM の条件下では、むき出しのプラスチックは BSE によって帯電しないため、これらのシンプルだが特殊な検出器が可能になりました。しかし、適切な間隔を置いた非常に細かい金網が、ガスが存在するときのGDDとして、またガスが排出されたときにプラスチック検出器から負電荷を逃がして汎用ESEMに導くために提案され^ている[40]。さらに、関連する電子機器には広い周波数応答を持つ光電子増倍管が含まれているため、真のTVスキャン速度が容易に得られます。これは、プロセスをリアルタイムでその場で検査できるESEMで維持する必要がある重要な属性です。比較すると、GDDの電子なだれモードでは、このような画像化はまだ報告されていません。

ESEMにおけるシンチレーションBSE検出器の使用は、GDDと互換性があり、SEの同時検出が可能です。1つの方法は、上部平面電極を細い先端の針電極（検出器）に置き換えることで、シンチレーションBSE検出器に簡単に対応できます。針検出器と円筒形状（ワイヤ）も広範囲に調査されています。^[17]

カソードルミネッセンスは、ビームと試料の相互作用によって生成される光子を利用する別の検出モードです。このモードは、BSE 検出に以前使用されていたシンチレーションコーティングを取り除いたライトパイプを使用することで、ESEM でも機能することが実証されています。ただし、最初にテストされた実験プロトタイプ以外での使用についてはあまりわかっていません。^[41]明らかに、この検出モードでは、イメージングプロセスで任意の試料の自然表面を調べることができるため、ESEM は SEM よりも強力で有意義です。カソードルミネッセンスは材料の特性ですが、さまざまな試料処理が必要であり、SEM には他の制限があるため、特性が不明瞭になったり、変化したり、検出が不可能になったりするため、これまでこの検出モードは普及していませんでした。無限の可能性を秘めた ESEM の登場により、将来、この分野への関心も高まる可能性があります。

ESEM でも生成される特性元素 X 線は、SEM で使用されるのと同じ検出器で検出できます。ただし、電子スカートから生成される X 線によって、さらに複雑な問題が生じます。これらの X 線は SEM よりも広い領域から発生し、空間分解能は大幅に低下します。これは、「バックグラウンド」X 線信号をプローブ相互作用ボリュームから単純に「抑制」できないためです。ただし、この問題を解決するためにさまざまな方式が提案されています。^{[42] [43] [44] [45]}これらの方法には、スポット マスキング、または圧力を変化させてスカートの影響を較正する外挿技術が含まれ、これによりかなりの改善が達成されています。

真空SEMでは、試料吸収電流モードは導電性試料の画像化の代替モードとして使用される。試料電流は、電子ビーム電流の差からSEとBSE電流の合計を引いた値である。しかし、ガスが存在し、イオン化が起こる場合、この検出モードを一般に作動するガス検出装置から切り離すのは困難である。したがって、このモードは、定義上、ESEMでは持続不可能であると考えられる。ShahとBecket ^[8]は、湿った植物サンプルの検査中に試料の導電性が保証されている場合、試料吸収電流モードの動作を想定していた。実際、Shahは1987年までに^[46]、SEとBSEによるガス中のイオン化生成物を依然として大きな障害と見なしていた。イオン化は試料に関する情報を何も運ばないと信じていたためである。しかし、彼は後に、画像形成中のガスイオン化の正しい役割を受け入れた。^[47]

絶縁性の試料に衝突した電子ビームは負電荷を蓄積し、従来のSEMで走査された点から電子ビームを偏向させる電位を生成します。これは画像上で帯電アーティファクトとして現れますが、SEMでは検査前に試料表面に導電層を堆積させることで除去されます。このコーティングの代わりに、ESEM内の導電性ガスが負電荷の蓄積を防ぎます。ガスの導電性が優れているのは、入射電子ビームとイオン化SEおよびBSE信号によってガスがイオン化されるためです。^{[48] [49]}この原理は、従来の真空電子顕微鏡からのもう1つの根本的な逸脱であり、大きな利点があります。

ESEM の動作方法の結果として、 SEM と比較して解像度が維持されます。これは、機器の分解能が電子ビームの直径によって決まり、電子ビームが完全に失われるまでの有効な移動距離にわたってガスの影響を受けないためです。^{[31]これは、真空とガスの両方でテストサンプル (通常は}炭素基板上の金粒子)をイメージングすることにより、最も細かいビームスポットを提供する市販の ESEM で実証されています。ただし、移動距離と圧力の増加に伴って電子プローブが電流を失うため、コントラストはそれに応じて低下します。電流強度の損失は、必要に応じて、スポットサイズの増加を伴う入射ビーム電流の増加によって補償できます。したがって、実用的な解像度は、特定の特徴の元のサンプルのコントラスト、ビームと信号の損失を最小限に抑える機器の設計、および各アプリケーションに対して適切なパラメーターを選択するオペレーターによって異なります。コントラストと解像度の側面は、ESEM の基礎に関する参考文献で決定的に決定されています。さらに、これに関連して、サンプルへの放射線の影響を考慮する必要があります。

市販されている機器の大部分は、試料を移送するたびに試料室を周囲圧力（100 kPa）まで排気します。大量のガスを排出し、目的のガス（通常は圧力調整弁（ニードルなど）を介してチャンバーに接続された水タンクから供給される水蒸気）と置き換える必要があります。多くの用途ではこれは問題になりませんが、100% の相対湿度を継続的に維持する必要がある用途では、試料の移送中に周囲のガスを除去すると相対湿度が 100% 未満に低下することが判明しています。^[50]これは明らかに、この種の用途における ESEM の目的に反します。ただし、中間試料移送チャンバーを使用するオリジナルのプロトタイプ ESEM ではこのような問題は発生せず、メインチャンバーは研究中に中断することなく常に 100% の相対湿度に維持されます。^[51] ESEMガス圧力ステージの図に示されている試料移送チャンバー（tr-ch）には小さな水タンクが内蔵されており、初期の周囲空気を素早くポンプで排出し、限られた伝導率のチューブとバルブを通さずに、ほぼ瞬時に水蒸気と置き換えることができます。蒸気の漏れが小さなPLA1からのみであれば、メインの試料チャンバーを100%の相対湿度に維持できますが、試料を交換するたびに激しくポンプを動かしている場合は維持できません。湿った試料が移送チャンバー内で100%の相対湿度で平衡状態になると、数秒以内にゲートバルブが開き、試料は同じ圧力に維持されたメインの試料チャンバーに移されます。メインチャンバーの制御されたポンプによる代替アプローチ^[50]は、乾燥せずに100%の相対湿度に単調に近づくことができないか、プロセスが非常に遅いため、問題を完全に解決できない可能性があります。メインチャンバー内に水タンクを含めると、すべての水がポンプで排出されるまで相対湿度を下げることができません（つまり、相対湿度の制御が不十分です）。

電子ビームと試料の相互作用中、試料にさまざまな程度の変化が生じることはほぼ避けられません。これらの変化、つまり放射線の影響は、SEM と ESEM の両方で目に見える場合と見えない場合があります。しかし、このような影響は、試料を自然な状態で観察できると主張する ESEM では特に重要です。真空の排除はこの目的に向けた大きな成功であり、電子ビーム自体による有害な影響には特別な注意が必要です。この問題を回避する最善の方法は、最適な ESEM 設計でこれらの影響を絶対的に最小限に抑えることです。さらに、ユーザーは結果の評価中にこれらの影響が存在する可能性があることに注意する必要があります。通常、これらの影響は、電子ビームと試料のさまざまな相互作用とプロセスにより、さまざまな形で画像に現れます。^[52]

電子顕微鏡にガスを導入することは、新しい次元の到来に等しい。したがって、電子ビームとガスの相互作用、およびガス（およびその副産物）と試料の相互作用は、まだ未知の結果を伴う新しい研究分野を開拓する。これらの中には、最初は不利に見えても後に克服できるものもあれば、予期しない結果をもたらすものもある。可動性ラジカルを含む試料内の液相は、再び有利または不利な多くの現象を引き起こす可能性がある。

試料の周囲にガスが存在すると、ESEM 独自の新しい可能性が生まれます。(a) 609 Pa を超える圧力であれば、0 °C を超える温度でも水を液相で維持できるため、液相電子顕微鏡法^[53]が可能になります。これは、試料が真空状態によって乾燥する SEM とは対照的です。(b) 電気的に非導電性の試料には、薄い金や炭素コーティングの堆積や、プロセス中に真空を必要とするその他の処理など、表面を導電性にするための SEM で使用される準備技術は必要ありません。絶縁性の試料は電子ビームによって帯電し、イメージングに問題が生じたり、不可能になったりします。(c) 真空 SEM 検出器とは対照的に、ガス自体が検出媒体として使用されるため、新しいイメージングの可能性が生まれます。(d) プレーンプラスチックシンチレーション BSE 検出器は、コーティングなしでも帯電せずに動作できます。したがって、これらの検出器は、真空 SEM に使用されるアルミニウム コーティングで BSE がエネルギーを消散しないため、可能な限り低い加速電圧で可能な限り最高の信号対雑音比を生成します。

その結果、複雑で時間のかかる準備方法を回避し、事前の準備作業や SEM の真空によって自然の表面を変更したりアーティファクトを作成したりすることなく、標本をより迅速かつ容易に検査できます。ガス/液体/固体の相互作用をその場でリアルタイムに動的に調査したり、後処理のために記録したりできます。氷点下から 1000 °C を超える温度変化と、標本の微細操作用のさまざまな補助デバイスが新しい現実になりました。生物標本を新鮮で生きたまま維持できます。したがって、ESEM は、真空状態が電子ビームイメージングの利点を普遍化することを妨げていた従来の電子顕微鏡からの根本的な進歩です。

主な欠点は、試料室内で電子ビームがガス環境で使用可能な距離が制限されることから生じます。PLA1 からの試料の有効距離は、加速電圧、ビーム電流、ガスの性質と圧力、および使用するアパーチャ直径の関数です。^{[29] [33]}この距離は、ガス圧が低真空から 1 気圧まで変化するため、約 10 mm から 1 ミリメートルの数分の 1 まで変化します。最適な操作のためには、製造元とユーザーの両方が、設計と操作においてこの基本要件を満たすようにする必要があります。さらに、圧力を非常に低いレベルにすることができるため、ESEM は上記の欠点のない一般的な SEM 操作に戻ります。したがって、真空で操作することにより、ESEM の特性と SEM の特性をトレードオフすることができます。これらすべての欠点と利点の調和は、適切に設計および操作されるユニバーサル ESEM によって達成できます。

試料の有効距離の制限と同時に、可能な最小倍率も制限されます。これは、非常に高い圧力では距離が非常に小さくなり、視野が PLA1 のサイズによって制限されるためです。光学顕微鏡の上限倍率と重なる SEM の非常に低い倍率範囲では、ESEM モードによって上限視野がさまざまな程度に制限されます。この制限の程度は、機器の設計に大きく依存します。

X 線は周囲のガスによっても生成され、SEM よりも大きな試料領域から放射されるため、分析中に抽出された情報に対するガスの影響を差し引くには特別なアルゴリズムが必要です。

ガスの存在は特定の用途では望ましくない影響をもたらす可能性がありますが、その程度は放射線の影響を最小限に抑え、制御するためのさらなる研究開発が行われることによってのみ明らかになるでしょう。

現時点では (2009 年現在) 最適設計のすべての原則に準拠した市販の機器は存在しないため、記載されているその他の制限は既存の機器の特性であり、ESEM 技術全般の特性ではありません。

ESEMは、薄い試料片を通して透過した明視野信号と暗視野信号を適切に検出することで、透過モード（TESEM）で使用することもできます。これは、試料の下に固体検出器を使用するか、^{[54]または}ガス検出器（GDD）を使用することで行われます。^[55] ESEMで使用される一般に低い加速電圧は、染色されていない試料のコントラストを高め、特に電界放出型電子銃を使用した透過モードで得られるナノメートル解像度の画像化を可能にします。

ESEM-DIAは、ESEM顕微鏡とデジタル画像解析（DIA）プログラムを組み合わせたシステムの略称である。デジタルで取得したESEM画像の定量的処理を直接可能にし、ニューラルネットワークに基づく機械学習による画像認識と画像処理を可能にする。^{[56] [57] [58]}

ESEM の代表的な用途としては、次のようなものがあります。

初期の応用では、Leptospermum flavescensの研究を含む新鮮で生きた植物材料の検査が含まれていました。^[59]微生物の研究におけるESEMの利点^[35]と調製技術の比較が実証されました。^[60]

薬剤が癌細胞に及ぼす影響は液相ESEM-STEMを用いて研究されてきた。^[61]

保存科学では、標本をそのままの状態で、あるいは自然のままの状態で保存することがしばしば必要となる。^[62]

ESEM研究は、ウール産業において、特別な化学的・機械的処理の有無にかかわらず繊維を対象に実施されてきた。^[63]セメント産業では、湿潤状態と乾燥状態でのさまざまなプロセスを現場で調べることが重要だ。^{[64] [65]}

現場での研究は、さまざまな補助装置の助けを借りて行うことができます。これには、高温でのプロセスを観察するためのホットステージ^[66] 、液体のマイクロインジェクター^{[67] 、および試料の伸張または変形装置[68]}が含まれます。

バイオフィルムはSEM作製中に導入されるアーティファクトなしに研究することができ、^{[69] [70]}、象牙質^[71]や洗剤^[72]もESEMの初期から研究されてきました。

ESEM は、さまざまな製造ブランド名で登場してきました。ESEM という用語は、1980 年に初めて公的に導入された一般名であり^{[73] [74]}、その後 Danilatos のすべての出版物や、すべての ESEM タイプの機器のほぼすべてのユーザーによって絶え間なく使用されています。ELECTROSCAN ESEM の商標は、1999 年に失効するまで断続的に取得されました。「環境」という言葉は、もともと透過型顕微鏡で「環境」セルが以前 (歴史的に) 使用されていたことの延長として導入されましたが、「大気圧」という言葉は、1 気圧の ESEM (ASEM) ^[14]を指すためにも使用されていますが、市販の機器では使用されていません。他の競合メーカーは、「ナチュラルSEM」^[75]（日立）、「ウェットSEM」^[76]（ISI）、「バイオSEM」（短寿命、AMRAY）、「VP-SEM」^[77]（可変圧力SEM、LEO/Zeiss-SMT）、「LVSEM」^[78]（低真空SEM、低電圧SEMを意味することが多い、^[79] JEOL）という用語を使用してきましたが、これらはすべて、現在の製造スケジュールによると、時間的に一時的なものと思われます。最近まで、これらの名前はすべて、約100 Paまで動作し、BSE検出器のみを備えた機器を指していました。最近、Zeiss-SMT VP-SEMは、画像形成のためのSEメカニズムとしてガスイオン化またはガスシンチレーションとともに、より高い圧力まで拡張されました。したがって、過去の商標の使用により混乱が生じる可能性があるため、異なる名前を持つ他の競合する商用（または研究室）ブランドと並べて、ESEM という用語を商用機器の唯一のブランドとして識別することは不適切です。

同様に、GDD という用語は、ESEM の新しいガス検出原理全体をカバーする一般的な用語です。特に、ESD および GSED という用語は、市販の ESEM と組み合わせて使用​​され、この検出器の二次電子モードを表します。

以下は ESEM を使用して撮影した画像の例です。

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  2 つの対称プラスチックシンチレーション後方散乱電子検出器とガス検出器デバイス (GDD) を使用して ESEM で画像化されたアルミニウム/鉄/シリコン鉱物とその他の不純物および表面汚染物質
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  100マイクロメートルの開口部から200Paに保たれたESEMチャンバーに空気ジェットが吹き込まれ、ガス検出装置で15kVで画像が撮影された。
• 
  ESEM の実際の TV スキャン速度での画像化: ティッシュ ペーパー上の毛細管針からの微小水滴。ビデオ録画の単一フレームを表示する TV モニターからの写真。未処理の BSE 信号、フィールド幅 380 μm。
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  GSED、23 kV、4.9 torr (=653 Pa) の ElectroScan 2020 ESEM で観察した蘭の花粉。
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  花粉のある複花、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。

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  花粉のある複花、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  ESEM で高倍率で撮影した炭素上の金粒子の分解能試験片。視野幅 1.2 μm
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  牛の骨髄、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  クモの巣の中の毛、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  フェザー、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  ラベンダーの葉、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  ジャガイモデンプン、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  牛の骨髄（水平）、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  湿式ボトルブラシの葉の気孔と葉毛、ElectroSscan E3 ESEM。
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  クモの巣内の真菌胞子、SE 画像、ElectroSscan E3 ESEM。
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  4T1 細胞株。培養プラスチック上のマウス乳がん細胞の顕微鏡写真、BSE 画像、ZEISS EVO LS10。
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  ESEM で室温で湿った状態から乾いた状態へと変化する脂っこいウール繊維。視野幅 270 μm、BSE、10 kV。

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  2 つの対称プラスチックシンチレーション後方散乱電子検出器を使用した ESEM で、室温で水蒸気圧が上昇するにつれてテフロン上の NaCl 結晶の水和が観察されます。フィールド幅 300 μm、10 kV
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  左は室温で水膜を張った生きたレプトスペルマム・フラベセンス幹細胞

• Danilatos, GD (1988)。「環境走査型電子顕微鏡の基礎」。Hawkes, Peter W. (編)。電子工学と電子物理学の進歩。第 71 巻。Academic Press。pp. 109–250。ISBN 978-0-12-014671-0。

• ESEMの開発とその将来
• 生きた標本のビデオやESEMでのその他の現場画像
• パワーハウス博物館。「環境走査型電子顕微鏡」。パワーハウス博物館、オーストラリア。2012年8 月 2 日閲覧。