透過型電子顕微鏡

1873年、エルンスト・アッベは、物体の細部を解像する能力は、イメージングに使用される光の波長、または可視光顕微鏡の場合は数百ナノメートル程度に制限されると提唱した。ケーラーとロールが主導した紫外線（UV）顕微鏡の開発により、解像度は2倍に向上した。^{[ 3 ]}しかし、ガラスによるUVの吸収のため、高価な石英光学系が必要となった。この波長の制約により、サブマイクロメートル情報を持つ画像を得ることは不可能だと考えられていた。^{[ 4 ]}

1858年、プリュッカーは磁場による「陰極線」（電子）の偏向を観察した。 ^{[ 5 ]}この効果は、 1897年にフェルディナント・ブラウンによって、単純な陰極線オシロスコープ（CRO）測定装置の構築に利用された。 ^{[ 6 ]} 1891年、エドゥアルト・リーケは、陰極線が磁場によって集束されることに気づき、単純な電磁レンズの設計が可能になった。1926年、ハンス・ブッシュはこの理論を拡張した研究を発表し、適切な仮定の下で、レンズメーカーの方程式が電子にも適用できることを示した。^{[ 2 ]}

1928年、シャルロッテンブルク工科大学（現在のベルリン工科大学）で、高電圧技術および電気設備の教授であったアドルフ・マティアスが、CROの設計を進歩させる研究チームのリーダーとしてマックス・ノールを任命した。チームは、エルンスト・ルスカやボド・フォン・ボリースを含む数名の博士課程学生で構成されていた。研究チームは、より優れたCROを構築するためのパラメータを最適化するために、レンズ設計とCROカラム配置に取り組み、低倍率（ほぼ1:1）の画像を生成するための電子光学部品を作成した。1931年、このグループは、陽極開口部の上に配置したメッシュグリッドの拡大画像を生成することに成功した。この装置は、より高い倍率を実現するために2つの磁気レンズを使用しており、おそらく最初の電子顕微鏡を作り出したと言える。同年、シーメンス社の科学ディレクターであったラインホルト・ルーデンベルクは、静電レンズ電子顕微鏡の特許を取得した。^{[ 4 ] [ 7 ]}

当時、電子は物質の荷電粒子であると理解されていました。電子の波動性は、1924 年のルイ・ド・ブロイの博士論文まで完全には認識されていませんでした。 ^{[ 8 ]}ノールの研究グループは、1932 年までこの論文を知りませんでした。その年、電子のド・ブロイ波長は光の波長よりも何桁も小さく、理論的には原子スケールでのイメージングが可能であることに気付きました。（運動エネルギーがわずか 1電子ボルトの電子でも、波長はすでに 1.18 nmと短くなっています。）1932 年 4 月、ルスカは、単純なメッシュ グリッドや開口部の画像ではなく、顕微鏡に挿入された試料を直接イメージングするための新しい電子顕微鏡の構築を提案しました。この装置により、アルミニウム シートの回折と通常のイメージングが成功しました。ただし、達成可能な倍率は光学顕微鏡よりも低くなりました。 1933年9月には、電子ビームによって損傷を受ける前に綿繊維の画像を迅速に取得することで、光学顕微鏡で得られる倍率よりも高い倍率が達成された。 ^{[ 4 ]} 

この頃、電子顕微鏡への関心が高まり、ワシントン州立大学のポール・アンダーソンとケネス・フィッツシモンズのグループ^{[ 9 ]}や、トロント大学のアルバート・プレバスとジェームズ・ヒリアーのグループ（それぞれ1935年と1938年に北米初のTEMを構築）^{[ 10 ]}など、他のグループもTEMの設計を継続的に進歩させていました。

1936年、シーメンス社で電子顕微鏡の研究が続けられ、その研究の目的は、特に生物試料に関して、TEMイメージング特性の開発と改善であった。当時、電子顕微鏡は、英国国立物理研究所で使用されていた「EM1」装置など、特定のグループ向けに製造されていた。^{[ 11 ]} 1939年、写真に写っている最初の商用電子顕微鏡がIGファルベン・ヴェルケ社の物理部門に設置された。電子顕微鏡のさらなる研究は、シーメンス社に建設された新しい研究所が空襲で破壊されたこと、および第二次世界大戦中に研究者のハインツ・ミュラーとフリードリヒ・クラウスの2人が亡く​​なったことによって妨げられた。^{[ 12 ]}

第二次世界大戦後、ルス​​カはシーメンス社で仕事に復帰し、電子顕微鏡の開発を続け、10万倍の倍率を持つ最初の顕微鏡を製作した。^{[ 12 ]}この顕微鏡設計の基本構造である多段ビーム準備光学系は、現代の顕微鏡でも使用されている。世界中の電子顕微鏡コミュニティは、英国マンチェスター、米国（RCA）、ドイツ（シーメンス）、日本（JEOL）で電子顕微鏡が製造されるようになったことで発展した。電子顕微鏡に関する最初の国際会議は1949年にデルフトで開催され、100人以上が参加した。^{[ 11 ]}その後の会議には、1950年のパリでの「第1回」国際会議、そして1954年のロンドンでの会議が含まれる。

TEMの開発に伴い、走査透過型電子顕微鏡（STEM）という関連技術が再検討され、1970年代まで開発されずにいたが、シカゴ大学のアルバート・クルーが電界放出銃^{[ 13 ]}を開発し、高品質の対物レンズを追加して現代のSTEMを作成した。クルーはこの設計を用いて、環状暗視野イメージングによる原子のイメージングが可能であることを実証した。クルーとシカゴ大学の同僚は冷電界電子放出源を開発し、薄い炭素基板上の単一の重原子を可視化できるSTEMを構築した^{[ 14 ] 。}

理論的には、光学顕微鏡で得られる最大解像度dは、光子の波長（λ）とシステムの開口数NAによって制限される。 ^{[ 15 ]}

$d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}}$

ここで、 nはレンズが作用する媒質の屈折率、 αはレンズに入射できる光円錐の最大半角です (開口数を参照)。^{[ 16 ]} 20 世紀初頭の科学者たちは、電子を用いることで可視光の比較的長い波長(波長 400～700ナノメートル)の制限を克服する方法を理論化しました。すべての物質と同様に、電子は波動性と粒子性の両方の性質 (物質波) を持ち、その波動性により、電子ビームは光と同様に集束および回折することができます。電子の波長は、ド・ブロイ方程式によって運動エネルギーと関連付けられており、波長は運動量に反比例します。相対論的効果 (TEM では電子の速度が光速c ^{[ 17 ]}のかなりの割合を占めるなど) を考慮すると、波長は 

${\displaystyle \lambda _{e}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}}$

ここで_、hはプランク定数、m₀は電子の静止質量、 Eは加速された電子の運動エネルギーである。

上から順に、TEMは、タングステンフィラメント、六ホウ化ランタン（LaB ₆）単結晶、または電界放出銃のいずれかである放出源または陰極から構成されます。^{[ 18 ]}銃は高電圧源（通常約100～300 kV）に接続され、熱電子放出または電界放出のいずれかによって電子を真空中に放出します。熱電子源の場合、電子源はウェーネルト円筒内に取り付けられ、放出された電子をビームに予備的に集束させると同時に、受動フィードバック回路を使用して電流を安定化します。電界放出源では、代わりに、それぞれに異なる電圧が印加された抽出器、抑制器、および銃レンズと呼ばれる静電電極を使用して、鋭利な先端付近の電界の形状と強度を制御します。陰極とこれらの最初の静電レンズ要素の組み合わせは、まとめて「電子銃」と呼ばれます。電子銃から発射された後、ビームは通常、最終電圧に達するまで加速され、顕微鏡の次の部分であるコンデンサーレンズシステムに入ります。TEMのこれらの上部レンズは、電子ビームをサンプル上の目的のサイズと位置にさらに集束させます。^{[ 19 ]}

電子ビームの操作は、2つの物理効果を利用して行われます。電子と磁場との相互作用により、電子は左手の法則に従って運動するため、電磁石を用いて電子ビームを操作することができます。さらに、静電場によって電子を一定の角度で偏向させることも可能です。反対方向への2つの偏向を小さな中間ギャップで結合させることで、ビーム経路にずれが生じ、ビームシフトが可能になります。

透過型電子顕微鏡（TEM）のレンズは、動作モードの柔軟性と、ビームを原子スケールまで集束させ、拡大して画像を得る能力を決定づけるものです。レンズは通常、強磁性体でほぼ囲まれたソレノイドコイルで構成されており、コイルの磁場を正確で狭い範囲に集中させるように設計されています。電子がこの磁場に出入りする際、湾曲した磁力線の周りを螺旋状に運動します。これは、光に対する通常のガラスレンズと非常によく似た働きをします。つまり、収束レンズとして機能します。しかし、ガラスレンズとは異なり、磁気レンズはコイルを流れる電流を調整することで、集束力を非常に容易に変更できます。

レンズと同様に重要なのが開口部です。これらは、重金属の薄い帯に開けられた円形の穴です。サイズと位置が固定されているものもあり、X線発生を抑制し、真空性能を向上させる上で重要な役割を果たします。一方、サイズを自由に切り替えたり、位置を調整したりできるものもあります。試料の後ろにある可変開口部により、画像や回折パターンの形成に使用する空間位置や電子散乱角の範囲をユーザーが選択できます。

電子光学系には、通常小型電磁石で構成された偏向器とスティグメーターも含まれる。偏向器は、試料位置におけるビームの位置と角度を個別に制御できるだけでなく、ビームがレンズスタック内の各レンズの低収差中心付近に留まるようにする。スティグメーターは、非点収差（レンズの焦点距離が方向によって異なる現象）を引き起こすわずかな欠陥や収差を補正する。

一般的に、TEM は 3 つのレンズステージで構成されています。これらのステージは、コンデンサー レンズ、対物レンズ、プロジェクター レンズです。コンデンサー レンズは一次ビームの形成を担当し、対物レンズはサンプル自体を通過するビームを集束します (STEM スキャン モードでは、入射電子ビームを収束させるためにサンプルの上にも対物レンズがあります)。プロジェクター レンズは、ビームを蛍光スクリーンまたはフィルムなどの他のイメージング デバイスに拡大するために使用されます。TEM の倍率は、試料と対物レンズの像面との間の距離の比率によって決まります。^{[ 20 ]} TEM の光学構成は実装によって大きく異なり、メーカーは球面収差補正装置^{[ 19 ]}などのカスタム レンズ構成を使用したり、電子の色収差を補正するためにエネルギー フィルタリングを使用する TEM を使用したりしています。

電子検出を検討する際の重要な要素には、検出量子効率（DQE）、点像分布関数（PSF）、変調伝達関数（MTF）、画素サイズとアレイサイズ、ノイズ、データ読み出し速度、耐放射線性などがある。^{[ 23 ]}

TEM のイメージング システムは、オペレーターが直接観察するための微細な (10～100 μm)硫化亜鉛粒子で作られた蛍光体スクリーンと、写真フィルム^{[ 24 ]}、ドープYAGスクリーン結合 CCD ^{[ 25 ] 、またはその他のデジタル検出器[ 23 ]}などの画像記録システムで構成されています。通常、これらのデバイスは必要に応じてビーム パスから取り外したり挿入したりできます。(写真フィルムはもはや使用されていません。) TEM に電荷結合素子 (CCD)検出器を使用した最初の報告は 1982 年でしたが^{[ 26 ]}、この技術が広く使用されるようになったのは 1990 年代後半から 2000 年代初頭になってからです^{[ 27 ]} 。モノリシックアクティブ ピクセル センサー(MAPS) も TEM で使用されました。^{[ 28 ]} CCDよりも高速で放射線損傷に強いCMOS検出器は、2005年からTEMに使用されています。 ^{[ 29 ] [ 30 ]} 2010年代初頭には、CMOS技術のさらなる発展により、単一電子カウントの検出（「カウントモード」）が可能になりました。^{[ 31 ] [ 32 ]}これらのDirect Electron検出器は、Gatan、FEI、Quantum Detectors、Direct Electronから入手できます。^{[ 28 ]} 

電子ガス相互作用の平均自由行程を長くするために、標準的なTEMは低圧（通常はオーダー）に排気される。10 ⁻⁴ Pa 。^{[ 33 ]}この必要性は 2 つあります。1 アークを発生させることなく陰極と接地間の電圧差を許容すること、2 電子とガス原子の衝突頻度を無視できるレベルまで低減すること。この効果は平均自由行程によって特徴付けられます。試料ホルダーやフィルムカートリッジなどの TEM コンポーネントは定期的に挿入または交換する必要があり、定期的に再排気できるシステムが必要です。そのため、TEM には複数のポンプシステムとエアロックが装備されており、永久的に真空密封されていません。

TEMを動作圧力レベルまで排気するための真空システムは、いくつかの段階から構成されます。まず、ロータリーベーンポンプまたはダイヤフラムポンプを使用して低真空または粗真空を実現し、動作に必要な高真空レベルを確立するターボ分子ポンプまたは拡散ポンプの動作を可能にするのに十分な低圧を設定します。低真空ポンプを連続運転する必要がないようにしつつ、ターボ分子ポンプを連続運転するために、低圧ポンプの真空側を、ターボ分子ポンプからの排気ガスを収容するチャンバーに接続することができます。^{[ 34 ] TEMの各セクションは、圧力制限開口部を使用して隔離することができ、高解像度TEMまたは電界放出TEMの電子銃内の10⁻⁴}～10⁻⁷ ^Pa以上の高真空など、特定の領域で異なる真空レベルを実現できます。

高電圧TEMでは、特にTEM陰極でのアーク放電の発生を防ぐため、10⁻⁷～10⁻⁹ Paの超高真空が必要となる。[35] そのため、高電圧TEMでは、^ゲートバルブ^または差動^{排気開口部}（ガス分子が排気される速度よりも速く高真空のガン領域に拡散するのを防ぐ小さな穴）によってガンをメインチャンバーから隔離した第3の真空システムが作動することがある。このような非常に低い圧力では、イオンポンプまたはゲッター材料が使用される。

TEM内の真空度が低いと、電子ビーム誘起堆積と呼ばれるプロセスで観察中にTEM内部のガスが試料上に堆積することから、放電によるより深刻な陰極損傷まで、さまざまな問題が発生する可能性があります。^{[ 35 ]}試料の近傍で昇華したガスを吸着するコールドトラップを使用すると、試料の昇華によって引き起こされる真空の問題はほぼ解消されます。^{[ 34 ]}

TEM試料ステージの設計には、顕微鏡の他の領域での真空損失を最小限に抑えながら試料ホルダーを真空中に挿入できるようにエアロックが 含まれています。試料ホルダーは、標準サイズの試料グリッドまたは自立型試料を保持します。標準的なTEMグリッドのサイズは直径3.05 mmで、厚さとメッシュサイズは数μmから100μmまでです 。試料は、直径約2.5  mmのメッシュ領域に配置されます。一般的なグリッド材料は、銅、モリブデン、金、またはプラチナです。このグリッドは試料ホルダーに配置され、試料ステージとペアになっています。ステージとホルダーの設計は、実施する実験の種類に応じて多種多様です。3.05  mmグリッドに加えて、 まれではありますが2.3 mmグリッドが使用されることもあります。これらのグリッドは、大きな傾斜が必要な場合や試料材料が非常に希少な場合がある鉱物科学で特に使用されていました。電子透過性試料の厚さは通常100 nm未満です が、この値は加速電圧によって異なります。

TEMに試料を挿入した後、単結晶回折などのように、ビームの関心領域を特定の方向に配置するために試料を操作する必要があります。これに対応するため、TEMステージでは、試料をXY平面内で移動させたり、Z軸の高さを調整したり、通常は側面挿入ホルダーの軸に平行な単一の傾斜方向を選択したりすることができます。特殊な回折ホルダーやステージでは、試料の回転も可能です。最新のTEMの中には、ダブルチルト試料ホルダーと呼ばれる特殊なホルダー設計により、直交する2つの傾斜角度で移動できるものもあります。かつて高分解能TEM研究で一般的だった上部挿入式や垂直挿入式ステージなど、一部のステージ設計では、XY方向の移動しかできない場合があります。TEMステージの設計基準は、機械的制約と電子光学的制約が同時に求められるため複雑であり、さまざまな方法に対応した特殊なモデルが用意されています。

TEMステージには、試料を保持し、関心領域を電子ビームの経路に移動させる操作機能が求められます。TEMは広範囲の倍率で動作できるため、ステージは同時に、数ナノメートル/分という低いドリフト要件で機械的ドリフトに非常に強く、数マイクロメートル/分で移動でき、位置調整精度はナノメートルオーダーである必要があります。^{[ 36 ]}以前のTEM設計では、複雑な機械式減速装置を使用してこれを実現し、オペレーターが複数の回転ロッドでステージの動きを微調整できるようにしていました。最新の装置では、ステッピングモーターと連動したスクリューギアを使用した電気ステージ設計が採用されており、オペレーターはジョイスティックやトラックボールなどのコンピューターベースのステージ入力を利用できます。

TEMのステージには、側面挿入型と上部挿入型の2つの主要な設計が存在する。^{[ 25 ]}それぞれの設計は、繊細なTEM光学系を損傷したり、真空中のTEMシステムにガスが侵入したりすることなく試料を挿入できるように、対応するホルダーを収容する必要がある。

最も一般的なのは側面挿入式ホルダーで、試料は長い金属（真鍮またはステンレス鋼）棒の先端付近に配置され、小さな穴の中に平らに置かれます。棒に沿って複数のポリマー製真空リングが配置されており、ステージに挿入された際に十分な真空シールが形成されるようになっています。ステージは棒を収容するように設計されており、対物レンズの設計に応じて、試料は対物レンズの間または近くに配置されます。ステージに挿入されると、側面挿入式ホルダーの先端はTEMの真空内に収まり、底部は大気に開放され、真空リングによってエアロックが形成されます。

側面挿入式TEMホルダーの挿入手順では、通常、試料を回転させてマイクロスイッチを作動させ、エアロックの排気を開始させてから、試料をTEMカラムに挿入する。

2番目の設計は、上部挿入ホルダーで、カートリッジ軸に沿って穴が開けられた数cmの長さのカートリッジで構成されています。試料は穴に装填され、場合によっては小さなネジリングを使用して試料を所定の位置に保持します。このカートリッジは、穴がTEMの光軸に垂直になるようにエアロックに挿入されます。密閉された状態で、エアロックを操作してカートリッジを押し込み、カートリッジが所定の位置に落ち、穴がビーム軸と一致するようにして、ビームがカートリッジの穴を通って試料に到達します。このような設計では、ビーム経路を遮断したり対物レンズに干渉したりすることなく傾けることは通常できません。^{[ 25 ]}

電子銃は、フィラメント、バイアス回路、ウェネルトキャップ、抽出陽極など、複数の構成要素から成り立っています。フィラメントを負の構成要素電源に接続することで、電子銃から陽極板とTEMカラムへ電子を「送り込み」、回路を完成させることができます。電子銃は、銃の発散半角αと呼ばれる特定の角度でアセンブリから放出される電子ビームを生成するように設計されています。ウェネルトシリンダーをフィラメント自体よりも高い負電荷を持つように構築することで、発散方向にフィラメントから放出された電子は、適切な動作条件下で、銃のクロスオーバー直径を最小サイズとする収束パターンに強制的に収束されます。

熱電子放出電流密度Jは、リチャードソンの法則によって放出材料の仕事関数と関連付けることができる。

${\displaystyle J=AT^{2}\exp \left({\frac {-\Phi }{kT}}\right),}$

ここで、Aはリチャードソン定数、Φは仕事関数、Tは材料の温度である。^{[ 25 ]}

この式は、十分な電流密度を達成するには、エミッタを加熱する必要があるが、過度の熱を加えることで損傷を与えないように注意する必要があることを示している。このため、ガンフィラメントには、タングステンなどの高融点材料、または仕事関数が低い材料（LaB _{6 ）が必要となる。} ^{[ 37 ]}さらに、熱電子放出を実現するには、六ホウ化ランタンとタングステンの両方の熱電子源を加熱する必要があり、これは小さな抵抗ストリップを使用することで実現できる。熱衝撃を防ぐため、フィラメントが熱勾配によって損傷するのを防ぐために、チップへの電流の印加に遅延が課されることが多い。遅延は通常、LaB ₆では数秒、タングステンではそれよりもかなり短い。

電子レンズは、平行な電子を一定の焦点距離に集束させることで、光学レンズと同様の動作をするように設計されている。電子レンズは、静電的に、または磁気的に動作する。TEM 用の電子レンズの大部分は、電磁コイルを使用して凸レンズを生成する。レンズ用に生成される場は放射状に対称でなければならない。磁気レンズの放射状対称性からのずれは、非点収差などの収差を引き起こし、球面収差と色収差を悪化させる。電子レンズは、パーマロイなどの鉄、鉄コバルト合金、またはニッケルコバルト合金^{[ 38 ]}から製造される。これらは、磁気飽和、ヒステリシス、透磁率などの磁気特性に基づいて選択される。

構成要素には、ヨーク、磁気コイル、極、ポールピース、および外部制御回路が含まれます。ポールピースは、レンズを形成する磁場の境界条件となるため、非常に対称的に製造する必要があります。ポールピースの製造に不完全性があると、磁場の対称性に深刻な歪みが生じ、最終的にレンズの物体面再現能力が制限されることになります。ギャップ、ポールピースの内径とテーパーの正確な寸法、およびレンズ全体の設計は、多くの場合、設計の熱的および電気的制約を考慮しながら、磁場の有限要素解析によって行われます。 ^{[ 38 ]}

磁場を発生させるコイルはレンズヨーク内部に配置されています。コイルには可変電流を流すことができますが、通常は高電圧を使用するため、レンズ部品の短絡を防ぐために十分な絶縁が必要です。コイル巻線の抵抗によるエネルギー損失で発生する熱を効率的に除去するために、放熱器が配置されています。巻線は、高い熱負荷を容易に除去するために、冷水供給を用いた水冷式にすることも可能です。

開口部は環状の金属板で、光軸から一定距離より遠い電子を排除することができます。これらは、軸方向の電子は通過させつつ、電子がディスクを通過するのを防ぐのに十分な厚さの小さな金属ディスクで構成されています。TEM で中心の電子を通過させることで、同時に 2 つの効果が生じます。まず、開口部によって電子がビームからフィルタリングされるため、ビーム強度が低下します。これは、ビームに敏感なサンプルの場合に望ましい場合があります。次に、このフィルタリングにより、球面収差や色収差などの不要なプロセス、またはサンプル内の相互作用による回折によって、高角度に散乱された電子が除去されます。^{[ 39 ]}

開口部は、集光レンズのようにカラム内に固定された開口部と、ビーム経路に挿入または引き抜き、あるいはビーム経路に垂直な平面内で移動可能な可動開口部のいずれかです。開口部アセンブリは、さまざまな開口部サイズを選択できる機械装置であり、オペレーターはこれを使用して、開口部の強度とフィルタリング効果のトレードオフを調整できます。開口部アセンブリには、光学校正時に必要となる開口部を移動するためのマイクロメータが装備されていることがよくあります。

TEM画像における隣接する2つの領域のコントラストは、画像平面内の電子密度の差として定義できます。試料による入射ビームの散乱により、電子波の振幅と位相が変化し、それぞれ振幅コントラストと位相コントラストが生じます。ほとんどの画像には、これらの両方のコントラスト成分が含まれています。

振幅コントラストは、像面に到達する前に一部の電子が除去されることによって得られます。試料との相互作用中に、一部の電子は吸収、顕微鏡の物理的限界を超える非常に大きな角度での散乱、または対物レンズの開口部によって遮断されることにより失われます。最初の2つの損失は試料と顕微鏡の構造に起因するものですが、対物レンズの開口部は操作者がコントラストを高めるために使用できます。

右の図は、対物絞りを使用せずに撮影したPt多結晶膜のTEM像（a）とそれに対応する回折パターン（b）を示しています。TEM像のコントラストを高めるには、回折パターンに見られる散乱ビームの数を減らす必要があります。これは、後焦点面の特定の領域、例えば中央のビームのみ、特定の回折ビーム（角度）、またはこれらのビームの組み合わせを選択することによって行うことができます。非回折ビームのみが後焦点面を超えて（そして像面へ）通過できるような対物絞りを意図的に選択すると、明視野（BF）像（c）が得られます。一方、中央の非回折ビームを遮断すると、（d～e）に示すような暗視野（DF）像が得られます。DF像（d～e）は、後焦点面の絞りを使用して、回折パターン（b）で円で示された回折ビームを選択することによって得られました。これらの回折スポットに電子が散乱される結晶粒は、より明るく見えます。回折コントラストの形成に関する詳細は後述します。

振幅コントラストには、質量-厚さコントラストと回折コントラストの2種類があります。まず、質量-厚さコントラストについて考えてみましょう。ビームが質量（または厚さ）が低い領域と質量（または厚さ）が高い隣接する2つの領域を照射すると、質量の大きい領域はより大きな角度で電子を散乱します。これらの強く散乱された電子は、BF TEMモードでは対物レンズの開口部によって遮断されます。その結果、質量の大きい領域はBF画像で暗く（強度が低く）見えます。質量-厚さコントラストは、非結晶性、アモルファス材料にとって最も重要です。

回折コントラストは、結晶粒の特定の結晶学的配向によって生じます。このような場合、結晶は回折が起こる確率が高い方向に配向しています。回折コントラストは、多結晶試料における結晶の配向に関する情報だけでなく、欠陥などの他の情報も提供します。なお、回折コントラストが存在する場合、そのコントラストは質量や厚さの変動によるものと解釈することはできません。

回折コントラスト

試料は回折コントラストを示すことがあり、これは電子ビームが回折を起こし、結晶試料の場合、電子が後焦点面内の離散的な位置に分散される現象である。後焦点面、すなわち対物レンズの開口部に開口部を配置することで、目的の逆格子ベクトルを選択（または除外）することができ、選択された反射に電子を散乱させる試料の部分のみが撮像装置上に投影されることになる。

選択された反射光に散乱されていない光（レンズの焦点に現れる光）が含まれていない場合、選択されたピークへの試料散乱がない領域は暗く表示されます。試料が存在しない領域は暗く見えるためです。これは暗視野像と呼ばれます。

最新の透過型電子顕微鏡（TEM）には、特定の回折条件を得るために試料を様々な角度に傾けることができる試料ホルダーが備えられていることが多く、試料の上部に配置された開口部によって、特定の方向に回折するはずの電子が試料に入射するのを防ぐことができる。

この方法の応用例としては、結晶中の格子欠陥の同定が挙げられる。試料の向きを慎重に選択することで、欠陥の位置だけでなく、存在する欠陥の種類も特定できる。試料を、特定の面が最強の回折角（ブラッグ角として知られる）からわずかに傾くように配置した場合、結晶面が局所的にブラッグ角に傾くような歪みは、特に強いコントラスト変化を生み出す。しかし、結晶をブラッグ角に傾けない原子の変位（すなわち、結晶面に平行な変位）のみを引き起こす欠陥は、弱いコントラストを生み出す。^{[ 42 ]}

前述のとおり、磁気レンズを調整して、結像面ではなくレンズのバックフォーカス面を結像装置上に配置することで、回折パターンを生成できます。薄い結晶試料の場合、単結晶の場合はドットパターン、多結晶または非晶質固体材料の場合はリングパターンからなる画像が得られます。単結晶の場合、回折パターンは試料の向きと電子ビームによって照射される試料の構造に依存します。この画像から、結晶の空間群対称性とビーム経路に対する結晶の向きに関する情報が得られます。これは通常、回折スポットが現れる位置と観察された画像の対称性以外の情報を使用せずに行われます。

回折パターンは広いダイナミックレンジを持つ可能性があり、結晶性試料の場合、CCDで記録できる強度を超える強度を示すことがあります。そのため、フィルムは使い捨ての検出器であるため、これらの画像を取得する目的で、TEMにはフィルムカートリッジが装備されている場合があります。

回折パターンの点位置以外の解析は、試料の厚さや向き、対物レンズの焦点ずれ、球面収差や色収差など、多くの要因に画像が影響を受けるため、複雑になることがあります。格子像に現れるコントラストの定量的解釈は可能ですが、本質的に複雑であり、電子マルチスライス解析などの大規模なコンピュータシミュレーションと解析が必要になる場合があります。^{[ 43 ]}

回折面内では、結晶格子内での多重回折によって生じる菊池線などの現象など、より複雑な挙動も起こり得る。収束電子ビーム回折（CBED）では、電子ビームを試料表面の細いプローブに集中させることで、平行でない、すなわち収束する電子波面が生成され、収束ビームの相互作用によって、試料の厚さなどの構造データ以外の情報も得られる。

TEM試料ホルダーは通常、試料を所望の角度に回転させることができるため、ビームに垂直な軸に沿って試料の角度を回転させることで、同じ試料の複数のビューを取得できます。単一のTEM試料を異なる角度（通常は1°刻み）で複数回撮影することで、「傾斜シリーズ」と呼ばれる一連の画像を取得できます。この方法は1970年代にWalter Hoppeによって提案されました。純粋な吸収コントラスト条件下では、この一連の画像を使用して試料の3次元表現を構築できます。^{[ 46 ]}

再構成は 2 段階のプロセスで行われます。まず、サンプルの位置ずれによる誤差を補正するために画像の位置合わせが行われます。このような誤差は、振動や機械的なドリフトによって発生する可能性があります。^{[ 47 ]}位置合わせの方法では、自己相関法などの画像レジストレーションアルゴリズムを使用してこれらの誤差を補正します。次に、フィルタ逆投影などの再構成アルゴリズムを使用して、位置合わせされた画像スライスを、2 次元画像I _j ( x , y )のセットから単一の 3 次元画像I ′ _j ( x , y , z ) に変換できます。この 3 次元画像は、形態学的情報が必要な場合に特に重要であり、等値面やデータスライスなどのコンピュータアルゴリズムを使用してデータを分析することで、さらに研究を行うことができます。   

TEM サンプルは通常 180° 回転させて観察することはできないため、観察される画像には通常、データの「欠落ウェッジ」が生じ、フーリエベースのバックプロジェクション法を使用すると、3 次元再構成で分解可能な周波数の範囲が狭まります。^{[ 46 ]}多軸傾斜 (同じ試料を直交する方向に 2 つの傾斜シリーズで作成) や円錐トモグラフィー (試料を最初に所定の固定角度に傾斜させ、試料グリッドの平面内で 1 回転する間に等しい角度回転増分で画像化) などの機械的改良を使用すると、欠落データが観察される試料の形態に与える影響を制限できます。集束イオンビームミリングを使用して、柱状の試料と専用のオンアクシス トモグラフィー ホルダーを使用して、TEM の対物レンズのポール ピース内で試料を 180° 回転させる新しい技術が提案されています^{[ 48 ]}。このような構成を使用すると、欠落ウェッジのない定量的電子トモグラフィーが可能になります。^{[ 49 ]}さらに、収集したデータを改善できる数値的手法も存在する。

上記の方法はすべて、特定の試料領域の傾斜系列を記録することを伴います。これは必然的に、試料を通して高線量の反応性電子が蓄積され、記録中に微細構造が破壊されるという結果をもたらします。そのため、この影響を軽減するために、低線量（最小線量）イメージング技術が一般的に用いられます。低線量イメージングは​​、照明領域とイメージング領域を同時に光軸から偏向させて、記録対象領域（高線量領域）に隣接する領域をイメージングすることによって行われます。この領域は傾斜中は中心に維持され、記録前に再焦点合わせされます。記録中は偏向が除去されるため、関心領域はイメージングに必要な時間だけ電子ビームに曝されます。この技術の改良（傾斜した基板フィルム上に置かれた物体の場合）は、焦点合わせのために2つの対称なオフアクシス領域を用意し、その後、関心対象の低線量領域を記録する前に、2つの高線量焦点値の平均値に焦点を合わせることです。

この方法の非断層撮影的変種である単粒子解析では、異なる向きにある複数の（できれば）同一の物体の画像を使用して、3次元再構成に必要な画像データを生成します。物体に顕著な優先方向がない場合、この方法は断層撮影法に伴うデータ欠損（またはコーン）の問題がなく、過剰な放射線被ばくもありませんが、画像化された異なる物体を、それらから生成された3Dデータが単一の安定した物体から生じたかのように扱うことができると仮定しています。

切断前に、生物組織はエポキシ樹脂ブロックに包埋され、まずカミソリの刃で台形のブロック面にトリミングされます。次に、ブロック面から厚い切片が切り出されます。厚い切片はトルイジンブルーで粗く染色され、薄切の前に試料とブロックの向きが検査されます。^{[ 52 ]}生物組織は、超ミクロトーム で 100 nm未満に薄められます。樹脂ブロックは、ガラスまたはダイヤモンドナイフの刃の上を通過するときに破断されます。^{[ 53 ]}この方法は、組織の超微細構造を観察できる薄くて変形が最小限のサンプルを得るために使用されます。アルミニウムなどの無機サンプルも、コーティングされたガラス、サファイア、またはより大きな角度のダイヤモンドナイフを使用して、樹脂に包埋してこの方法で超薄切片にすることができます。^{[ 54 ]} TEMで観察するときにサンプルの表面に電荷が蓄積するのを防ぐために、組織サンプルは炭素などの導電性材料の薄い層でコーティングする必要があります。

生物組織のTEMサンプルでは、​​コントラストを高めるために高原子番号の染色剤が必要です。染色剤は電子ビームを吸収するか、イメージングシステムに投影される電子ビームの一部を散乱させます。オスミウム、鉛、ウラン、金（免疫金標識の場合）などの重金属化合物は、TEM観察の前に、目的の細胞領域またはタンパク質領域に電子密度の高い原子を選択的に沈着させるために使用できます。このプロセスには、重金属が特定の生物組織や細胞構造にどのように結合するかについての理解が必要です。^{[ 55 ]}

サンプル染色法のもう一つの形態はネガティブ染色で、これはサンプルに多量の重金属染色剤を適用する方法です。 ^{[ 56 ]}その結果、サンプルの背景は暗くなり、表面のトポロジーが明るく見えるようになります。ネガティブ染色電子顕微鏡は、大きなタンパク質や高分子複合体（>  150 kDa）の可視化や3Dトポロジー再構成に最適です。より小さなタンパク質の場合、ネガティブ染色は、クライオ電子顕微鏡に最適なサンプル濃度を 見つけるためのスクリーニングステップとして使用できます。^{[ 56 ]}

透過型電子顕微鏡（TEM）での画像観察用の試料作製には、機械研磨も用いられます。研磨は、観察対象領域全体で試料の厚さを一定に保つために、高い精度で行う必要があります。試料の厚さのばらつきによるコントラストの変動を引き起こす可能性のある傷を除去するため、研磨の最終段階では、ダイヤモンド研磨剤または立方晶窒化ホウ素研磨剤が使用されることがあります。慎重な機械研磨の後でも、最終的な薄膜化には、イオンエッチングなどの精密な手法が必要となる場合があります。

特定の試料、特に金属試料は、化学エッチングによって作製されることがある。これらの試料は、透過型電子顕微鏡（TEM）観察のために、酸などの化学エッチング剤を用いて薄膜化される。薄膜化プロセスを制御する装置により、操作者は試料を流れる電圧または電流を制御でき、試料が十分な光学的透明度まで薄膜化されたことを検出するシステムも備えている場合がある。

イオンエッチングは、ご​​く微量の材料を除去できるスパッタリングプロセスです。これは、他の方法で研磨された試料の仕上げ研磨に使用されます。イオンエッチングでは、不活性ガスを電界に通してプラズマ流を生成し、試料表面に照射します。アルゴンなどのガスの加速エネルギーは通常数キロボルトです。試料を回転させることで、試料表面の均一な研磨が促進されます。このような方法のスパッタリング速度は1時間あたり数十マイクロメートル程度であるため、極めて微細な研磨にしか適用できません。

アルゴンガスによるイオンエッチングは、最近、 MTJスタック構造を特定の層まで削り落とすことができ、その後、原子レベルで分解できることが示された。断面ではなく平面図で撮影されたTEM画像は、MTJ内のMgO層に多数の粒界が含まれており、それがデバイスの特性を低下させている可能性があることを示している。^{[ 57 ]}

近年では、集束イオンビーム（FIB）法が試料作製に用いられている。FIBは、より大きな試料からTEM観察用の薄膜試料を作製するための比較的新しい技術である。FIBは試料を非常に精密にマイクロ加工できるため、半導体や金属などの試料中の特定の関心領域から非常に薄い膜を削り出すことが可能である。不活性ガスイオン スパッタリングとは異なり、FIBははるかに高エネルギーのガリウムイオンを使用するため、ガリウム注入によって材料の組成や構造が変化する可能性がある。^{[ 58 ]}

透過型電子顕微鏡（TEM）試料（薄片、薄膜、その他機械的およびビームに敏感な試料）を集束イオンビーム（FIB）内で移動させる際に、応力や曲げを最小限に抑えるために、柔軟な金属ナノワイヤを通常は剛性のマイクロマニピュレータに取り付けることができる。

この方法の主な利点としては、試料準備時間の著しい短縮（低ビーム電流でのナノワイヤの迅速な溶接と切断）、および応力による曲げ、Pt汚染、イオンビーム損傷の最小化が挙げられる。^{[ 59 ]} この技術は、特にその場電子顕微鏡試料の準備に適している。

試料は酢酸セルロースフィルムを用いて複製することも可能で、そのフィルムに白金などの重金属をコーティングした後、元のフィルムを溶解し、複製試料を透過型電子顕微鏡（TEM）で観察する。複製法は、材料試料と生物試料の両方に用いられる。材料科学においては、金属合金の新鮮な破断面を観察するためによく用いられる。

透過型電子顕微鏡（ TEM ）は、適切な検出器と組み合わせることで、収束ビームを試料全体に走査して像を形成するシステムを追加することにより、走査透過型電子顕微鏡（STEM）に改造できます。走査コイルは、ビームを静電的に偏向させるなどしてビームを偏向させるために使用されます。偏向されたビームは、ファラデーカップなどの電流検出器で収集され、直接電子カウンターとして機能します。電子数を走査ビームの位置（「プローブ」と呼ばれる）と相関させることにより、ビームの透過成分を測定できます。非透過成分は、ビームの傾斜または環状暗視野検出器の使用によって取得できます。

根本的に、TEMとSTEMはヘルムホルツの相反則によって結びついています。STEMは、電子ビームの進行方向に対して電子源と観測点が反転されたTEMです。右図の光線図を参照してください。STEM装置は実質的にTEMと同じ光学系を使用していますが、TEMの動作中に電子の進行方向を反転させる（または時間を逆転させる）ことで動作します。TEMのように開口部を使用して検出電子を制御するのではなく、STEMは、ユーザーが捕捉したい電子に応じて収集角度を調整できるさまざまな検出器を使用します。

低電圧電子顕微鏡( LVEM) は、5～25 kV の比較的低い電子加速電圧で動作します。これらの中には、SEM、TEM、STEM を単一のコンパクトな装置に組み合わせたものもあります。低電圧は画像コントラストを高め、これは特に生物試料にとって重要です。このコントラストの向上により、染色の必要性が大幅に軽減され、場合によっては不要になります。TEM、SEM、STEM モードでは、数 nm の解像度が可能です。電子ビームのエネルギーが低いため、永久磁石をレンズとして使用でき、冷却を必要としない小型のカラムを使用できます。^{[ 60 ] [ 61 ]}

極低温透過型電子顕微鏡（Cryo-TEM または Cryo-EM）は、試料を液体窒素または液体ヘリウムの温度に維持できる試料ホルダーを備えた TEM を使用します。^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}これにより、個々の分子または高分子集合体のイメージングに好ましい準備技術であるガラス状氷で準備された試料のイメージング、^{[ 65 ]}ガラス化された固体電解質界面のイメージング、^{[ 66 ]}および硫黄などの室温で高真空中で揮発する材料のイメージングが可能になります。^{[ 67 ]}多くの量子材料またはデバイスでは、創発的な量子挙動が発生する相にアクセスするために低温または超低温^{[ 68 ]}が必要です。^{[ 69 ]}

差動排気式試料室や特殊なホルダーを使用して、TEM内でその場実験を行うこともできます。^{[ 70 ]}その場実験の種類には、ナノ材料の研究^{[ 71 ]}、生物試料の研究、分子の化学反応の研究^{[ 72 ]} 、液相電子顕微鏡法の研究^{[ 73 ] [ 74 ]}、材料変形試験の研究^{[ 75 ]などがあります。}

加熱中に多くの相転移が生じる。さらに、粗大化や結晶粒成長、その他の拡散関連プロセスは、反応速度が向上する高温下でより速やかに進行するため、透過型電子顕微鏡を用いて妥当な時間スケールで関連現象を観察することが可能となる。これにより、高温下で発生し、外部試料では消失したり、均一に保存されなかったりする現象も観察できる。

高温TEMは、ドリフト補正、温度測定、より複雑なホルダーによる空間分解能の低下など、高温ホルダーのメカニズムにおいて対処しなければならないさまざまな追加的な課題をもたらします。^{[ 76 ] [ 77 ]}

TEMにおける試料のドリフトは、室温とホルダーの温度差に比例します。最新のホルダーでは温度が1500℃にも達するため、試料は大きなドリフトや垂直方向の変位（膨らみ）を起こし、フォーカスやステージの調整を継続的に行う必要があり、解像度の低下や機械的なドリフトを引き起こします。^{[ 78 ] [ 79 ]}個々の研究室やメーカーは、試料室の予測温度に基づいて熱ドリフトを補正する高度な冷却システムと連携したソフトウェアを開発しました。^{[ 76 ] [ 79 ] [ 80 ]}これらのシステムでは、試料の移動が安定するまでに30分から数時間かかることがよくあります。大きな進歩はありましたが、高温でのドリフトを考慮に入れるための汎用的なTEMアタッチメントはまだ開発されていません。^{[ 77 ] [ 78 ] [ 80 ]}

これらの特殊なホルダーの多くにおけるもう一つの課題は、局所的な試料温度を知ることです。多くの高温ホルダーは、タングステンフィラメントを使用して試料を局所的に加熱します。^{[ 76 ] [ 79 ]}熱電対を備えた炉ヒーター（W線）の温度の曖昧さは、炉とTEMグリッド間の熱接触から生じます。これは、異なる試料やグリッド材料による熱伝導率の変化によって生じる試料に沿った温度勾配によって複雑化します。^{[ 77 ]}市販品とラボ製の両方の異なるホルダーでは、温度校正を作成するためのさまざまな方法が利用可能です。Gatanなどのメーカーは、IR高温計を使用して、試料全体の温度勾配を測定します。校正のためのさらに優れた方法は、電子透過窓上のSi粉末の局所温度を測定し、IR高温計を定量的に校正するラマン分光法です。これらの測定は、5%以内の精度が保証されています。研究室も市販のホルダーで独自の校正を行っています。 NISTの研究者は、ラマン分光法を用いてTEMグリッド上のサンプルの温度プロファイルをマッピングし、非常に精密な測定を実現して研究を強化しました。^{[ 81 ]}同様に、ドイツの研究グループは、X線回折を用いて温度変化によって生じる格子間隔のわずかな変化を測定し、ホルダー内の正確な温度を逆算しました。このプロセスには、慎重な校正と精密なTEM光学系が必要でした。^{[ 82 ]他の例としては、EELSを用いてガス密度の変化[ 83 ]}や抵抗率の変化^{[ 77 ]}を利用して局所的な温度を測定する方法があります。

TEM で最適な解像度を得るには、対物レンズで球面収差を補正する必要があります。しかし、ほとんどの TEM の幾何学的構造上、大きなインサイチュ ホルダーを挿入するには、対物レンズを妥協し、球面収差を許容する必要があります。そのため、ポール ピース ギャップの幅と 0.1 nm 未満の空間分解能の間にはトレードオフがあります。さまざまな機関の研究グループは、モノクロメーターを使用して5 mm のポール ピース ギャップで 0.05 nm の分解能を達成することで球面収差を克服しようと試みてきました。^{[ 84 ]}  

TEMの高解像度により、数百ナノメートルから数オングストロームまでの長さスケールで対象試料を観察できます。これにより、ひずみ場による弾性変形と塑性変形、および格子歪みや転位運動などの結晶学的欠陥の動きを可視化できます。変形現象を同時に観察し、その場で機械的応答を測定することで、ナノ力学試験情報を、材料が応力とひずみにどのように応答するかの微妙さと複雑さの両方を記述するモデルに結び付けることができます。^{[ 85 ]}このようなナノ力学試験から得られる材料特性とデータの精度は、主に使用されている機械的ひずみホルダーによって決まります。現在のひずみホルダーは、材料に対して引張試験、ナノインデンテーション、圧縮試験、せん断試験、および曲げ試験を実行できます。 ^{[ 86 ]}

現代の研究用TEMには、画像の歪みを軽減するための収差補正器^{[ 19 ]}が含まれている場合があります。入射ビームモノクロメーターも使用でき、入射電子ビームのエネルギー広がりを0.15 eV未満に低減します^{[ 19 ]}。収差補正TEMの主なメーカーには、JEOL、日立ハイテクノロジーズ、FEI社、NIONなどがあります。 

パルス電子を用いることで、電子検出器の読み出し速度をはるかに超える時間分解能を達成することが可能です。パルスは、電子源を改造してレーザートリガー光放出を可能にするか^{[ 100 ]}、超高速ビームブランキング装置を設置することによって生成できます^{[ 101 ]} 。ストロボポンププローブ照明を用いる場合、この方法は超高速透過型電子顕微鏡法と呼ばれます。画像は、電子パルスの到着と試料励起の間に一定の時間遅延を設けて、多数の超短電子パルス（通常数百フェムト秒）を蓄積することによって形成されます。一方、各パルスから画像を形成するのに十分な数の電子を持つ単一または短い電子パルス列を用いる方法は、動的透過型電子顕微鏡法と呼ばれます。超高速TEMでは、数百フェムト秒までの時間分解能と、ショットキー電界放出源で得られるものと同等の空間分解能が可能です。^{[ 102 ]}フォトンゲーティング法を用いることで、^{[ 103 ]}超高速電子顕微鏡の時間分解能は 30 fs に達し、物質の超高速原子および電子ダイナミクスのイメージングが可能になる。^{[ 104 ]}しかし、この技術では、数百万回再現性よくトリガーできる可逆プロセスしかイメージングできない。動的 TEM は、数十ナノ秒および数十ナノメートルまでの不可逆プロセスを分解できる。^{[ 105 ]}

この技術は、2000年代初頭にドイツ（ベルリン工科大学^{[ 100 ]}）と米国（カリフォルニア工科大学^{[ 106 ] [ 107 ]} およびローレンス・リバモア国立研究所^{[ 108 ] [ 109 ]} ）の研究所で開拓されました。超高速TEMと動的TEMにより、ナノスケールでの数多くの物理的および化学的現象のリアルタイム調査が可能になりました。

超高速透過型電子顕微鏡法の興味深い変種として、光子誘起近接場電子顕微鏡法（PINEM）がある。これは、表面またはナノ構造の存在下での電子と光子の非弾性結合に基づいている。^{[ 110 ]}この方法により、電子顕微鏡内で時間的に変化するナノスケールの電磁場を調査できるだけでなく、電子ビームの波動特性を動的に整形することも可能になる。

TEMで得られる分解能の限界はいくつかの方法で説明でき、通常は顕微鏡の情報限界と呼ばれます。よく使われる値の1つはコントラスト伝達関数のカットオフ値で、これは通常、顕微鏡光学系による物体面内の物体の空間周波数の再現を定義するために周波数領域で引用される関数です。伝達関数のカットオフ周波数q _maxは、次の式で近似できます。ここで、C _sは球面収差係数、λは電子波長です。^{[ 39 ]}

${\displaystyle q_{\max }={\frac {1}{0.67(C_{\text{s}}\lambda ^{3})^{1/4}}}.}$

200  kV の顕微鏡で、球面収差が部分的に補正され (「3 次まで」)、C _sの値が 1  μm の場合、^{[ 112 ]}理論的なカットオフ値は 1/ q _max = 42 pmになる可能性がある。^{[ 39 ]}補正器のない同じ顕微鏡では、C _s = 0.5 mm となり、カットオフは 200 pm になる。^{[ 112 ]} 「収差補正」顕微鏡では、球面収差は 3 次または 5 次まで抑制される。ただし、その解像度は、電子源の形状と明るさ、および対物レンズ系の色収差によって制限される。^{[ 19 ] [ 113 ]}   

コントラスト伝達関数の周波数領域表現は、対物レンズの焦点値を調整することで調整できる振動的な性質を持つことが多い。 ^{[ 114 ]}この振動的な性質は、一部の空間周波数が顕微鏡によって忠実に画像化される一方で、他の空間周波数が抑制されることを意味する。異なる空間周波数を持つ複数の画像を組み合わせることで、焦点系列再構成などの技術を使用して、TEM の解像度を限定的に向上させることができる。^{[ 39 ]}コントラスト伝達関数は、非晶質炭素などの非晶質材料の画像をフーリエ変換するなどの技術によって、ある程度実験的に近似することができる。

近年では、収差補正器の設計の進歩により、球面収差を低減し^{[ 115 ]}、 5000万倍以上の倍率で0.5オングストローム（50  pm）以下の解像度を達成することが可能になった^{[ 113 ] 。 [ 116 ]}解像度の向上により、リチウム電池材料中のリチウム原子など、電子を効率的に散乱しない軽い原子のイメージングが可能になった^{[ 117 ]} 。材料中の原子の位置を決定できる能力により、HRTEMは、不均一触媒や電子・フォトニクス用半導体デバイスの開発など、多くの分野におけるナノテクノロジーの研究開発に不可欠なツールとなっている^{[ 118 ] 。}