電子ホログラフィー

電子ホログラフィーは、電子物質波を用いたホログラフィーです。1948年にデニス・ガボールが電子顕微鏡の画像解像度の向上を試みた際に発明されました。 ^[1]電子波を用いたホログラフィーの最初の試みは、1952年にヘインとマルベイによって行われました。^{[2]彼らは、60 keV の電子で}酸化亜鉛結晶のホログラムを記録し、約 1 nm の解像度で再構成を実証しました。1955年に、G. モーレンシュテットと H. デューカー^[3]が電子バイプリズムを発明し、オフアクシス方式で電子ホログラムを記録できるようになりました。電子ホログラフィーにはさまざまな構成が可能で、1992年にカウリーによって20を超える構成が文書化されています。^[4]通常、ホログラフィック測定を実行するには、電子ビームの高い空間的および時間的コヒーレンス (つまり、エネルギーの広がりが低いこと) が必要です。

オフ軸方式の高エネルギー電子ホログラフィー

高エネルギー電子 (80 ～ 200 keV) を使用した電子ホログラフィーは、透過型電子顕微鏡(TEM) のオフアクシス方式で実現できます。電子ビームは、非常に細い正に帯電したワイヤによって 2 つの部分に分割されます。正の電圧によって電子波が偏向し、重なり合って等間隔の縞模様の干渉パターンが生成されます。

オフアクシスホログラムの再構成は数値的に行われ、2 つの数学的変換から構成されます。^[5]まず、ホログラムのフーリエ変換が実行されます。結果として得られる複素画像は、自己相関 (中心バンド) と 2 つの相互に共役なサイドバンドで構成されます。選択されたサイドバンドを中心とするローパスフィルター (円形マスク) を適用することにより、1 つのサイドバンドのみが選択されます。中心バンドとツインサイドバンドは両方ともゼロに設定されます。次に、選択されたサイドバンドが複素画像の中心に再配置され、逆フーリエ変換が適用されます。オブジェクト領域で得られる画像は複素数値であるため、オブジェクト関数の振幅と位相の分布が再構成されます。

インライン方式の電子ホログラフィー

デニス・ガボールによるオリジナルのホログラフィック方式はインライン方式で、これは参照波と物体波が同じ光軸を共有することを意味します。この方式は点投影ホログラフィーとも呼ばれます。物体が発散電子ビーム内に置かれ、波の一部が物体（物体波）によって散乱され、検出器面内の散乱されていない波（参照波）と干渉します。インライン方式の空間コヒーレンスは、電子源のサイズによって定義されます。低エネルギー電子（50-1000 eV）によるホログラフィーは、インライン方式で実現できます。^[6]

電磁場

干渉計システムを電磁場から保護することは重要です。電磁場はアハラノフ・ボーム効果により望ましくない位相シフトを引き起こす可能性があるためです。静的な電磁場は干渉パターンの固定シフトをもたらします。すべてのコンポーネントとサンプルは適切に接地され、外部ノイズから保護される必要があることは明らかです。

アプリケーション

この画像では、金粒子 (黒い点) でコーティングされたカーボン上のラテックス球の電子ホログラムを見ることができます。画像の下部は真空です。バイプリズムは真空エッジのほぼ上にあります。このエッジに平行に、画像の一部であり位相情報を抽出できる干渉縞の位相面を見ることができます。

電子ホログラフィーは薄膜中の電場と磁場を研究するためによく使用されます。^[7]^[8]電場と磁場はサンプルを通過する干渉波の位相をシフトさせることができるためです。^[9]

電子ホログラフィーの原理は干渉リソグラフィーにも応用できる。^[10]

参考文献

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[1] Gabor, D. (1948). 「新しい微視的原理」. Nature . 161 (4098). Springer Science and Business Media LLC: 777– 778. doi : 10.1038/161777a0 . ISSN 0028-0836.

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[3] メレンシュテット、G.デューカー、H. (1956)。「エレクトロネンウェレンによるビプリズマ干渉のベオバッハトゥンゲンとメッスンゲン」。Zeitschrift für Physik (ドイツ語)。145 (3)。 Springer Science and Business Media LLC: 377–397 . doi :10.1007/bf01326780. ISSN 1434-6001。

[4] Cowley, JM (1992). 「電子ホログラフィーの20の形態」. Ultramicroscopy . 41 (4). Elsevier BV: 335– 348. doi :10.1016/0304-3991(92)90213-4. ISSN 0304-3991.

[5] Lehmann, Michael; Lichte, Hannes (2002). 「オフアクシス電子ホログラフィーのチュートリアル」.顕微鏡とマイクロ分析. 8 (6). Cambridge University Press (CUP): 447– 466. doi :10.1017/s1431927602020147. ISSN 1431-9276.

[6] Fink, Hans-Werner; Stocker, Werner; Schmid, Heinz (1990-09-03). 「低エネルギー電子によるホログラフィー」. Physical Review Letters . 65 (10). American Physical Society (APS): 1204– 1206. CiteSeerX 10.1.1.370.7590 . doi :10.1103/physrevlett.65.1204. ISSN 0031-9007.

[7] Lichte, Hannes (1986). 「電子ホログラフィーが原子分解能に近づく」. Ultramicroscopy . 20 (3). Elsevier BV: 293– 304. doi :10.1016/0304-3991(86)90193-2. ISSN 0304-3991.

[8] Tonomura, Akira (1987-07-01). 「電子ホログラフィーの応用」.現代物理学レビュー. 59 (3). アメリカ物理学会 (APS): 639– 669. doi :10.1103/revmodphys.59.639. ISSN 0034-6861.

[Dunin-9] RE Dunin-Borkowski et al.、Micros.解像度そして技術。 64、390 (2004)。

[Ogal-10] 大貝恵子; 松井真司; 木村好英; 清水隆一 (1993-12-30). 「電子線ホログラフィーを用いたナノリソグラフィーへのアプローチ」.応用物理学会誌. 32 (第1部、第12B号). 応用物理学会: 5988– 5992. doi :10.1143/jjap.32.5988. ISSN 0021-4922.