JP2017220458A - 透過型低エネルギー電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、透過型低エネルギー電子顕微鏡に関する。【解決手段】本発明の透過型低エネルギー電子顕微鏡は真空チャンバーと、電子銃と、回折チャンバーと、結像装置と、試料ホルダと、芯柱と、真空ポンプ装置と、制御コンピュータと、を含み、制御コンピュータはスイッチングモジュールを含み、スイッチングモジュールは、大きなビームスポット回折イメージングモード及び小さなビームスポット回折イメージングモードを切り替えることに用いられ、大きなビームスポット回折イメージングモードでは、二次元ナノ材料試料のサイズより大きい電子ビームは、二次元ナノ材料試料の全ての表面を照射し、小さなビームスポット回折イメージングモードでは、二次元ナノ材料試料のサイズより小さい電子ビームは、二次元ナノ材料試料の表面の一部を走査し、或いは二次元ナノ材料試料の全ての表面を走査する。【選択図】図１

Description

本発明は、透過型低エネルギー電子顕微鏡に関する。

ナノ材料が広く応用されている。ナノ材料の応用に対して、均一な大面積のナノ材料を形成することが重要である。現在グラフェン及び二硫化モリブデンなどの二次元材料は化学蒸着法によって、大面積の二次元材料を形成できる。例えば、センチメートルサイズの単結晶グラフェンと、サブミリメートルサイズの二硫化モリブデン、及び百ミクロンサイズの（ＷＳｅ_２）及び（ＭｏＳｅ_２）を形成できる。したがって、大面積試料の構造及び性能に対しての便利な特徴付け方法及び装置は研究の重点である。

電子顕微鏡は二次元ナノ材料の構造及び形態を観察する好適な装置である。透過型電子顕微鏡（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＴＥＭ）は、少量の試料に対して原子の構成成分を分析でき、且つイメージングすることができる。しかし、透過型電子顕微鏡は三次元ナノ材料を観察する。高倍率及び良好な分解能を獲得するために、透過型電子顕微鏡の動作電圧は２０ｋＶ〜３００ｋＶであり、電子ビームスポットはできるだけ小さく、試料ホルダは直径３ｍｍの金属リングである。これにより、高エネルギーの電子が試料を照射して、試料の構造を破壊し、且つ試料の分析区域は小さい。低エネルギー電子回折（Ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ＬＥＥＤ）及び低エネルギー電子顕微鏡（Ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＬＥＥＭ）は低エネルギーの電子によって試料を照射して、試料の原子構造を分析する。しかし、透過型電子顕微鏡と同じように、低エネルギー電子回折及び低エネルギー電子顕微鏡によって試料を観察する際の電子ビームスポットは小さい。これにより、大面積の試料を観察する効率は低い。さらに、低エネルギー電子回折及び低エネルギー電子顕微鏡が反射電子ビームを観察するので、低エネルギー電子回折のパターンには基板材料の信号を含み、分析結果に影響を与える。例えば、試料が基板に成長する単層グラフェンである際、電子ビームは試料を透過した後、電子ビームは基板材料と相互に作用して反射する。

本発明の目的は、前記課題を解決する大きな電子ビームスポットを有する透過型低エネルギー電子顕微鏡を提供することである。

本発明の透過型低エネルギー電子顕微鏡は真空チャンバーと、電子銃と、回折チャンバーと、結像装置と、試料ホルダと、芯柱と、真空ポンプ装置と、制御コンピュータと、を含み、電子銃は真空チャンバーに設置され、電子ビームを放出することに用いられ、回折チャンバーは真空チャンバーと接続され、結像装置は回折チャンバーに設置され、試料ホルダは二次元ナノ材料試料を固定することに用いられ、芯柱は回折チャンバーと接続され、真空ポンプ装置は真空チャンバーと接続され、制御コンピュータは透過型低エネルギー電子顕微鏡の動作を制御することに用いられ、制御コンピュータはスイッチングモジュールを含み、スイッチングモジュールは、大きなビームスポット回折イメージングモード及び小さなビームスポット回折イメージングモードを切り替えることに用いられ、大きなビームスポット回折イメージングモードでは、二次元ナノ材料試料のサイズより大きい電子ビームは、二次元ナノ材料試料の全ての表面を照射し、二次元ナノ材料試料全体の回折イメージが得られ、小さなビームスポット回折イメージングモードでは、二次元ナノ材料試料のサイズより小さい電子ビームは、二次元ナノ材料試料の表面の一部を走査し、或いは二次元ナノ材料試料の全ての表面を走査し、二次元ナノ材料試料一部の回折イメージが得られる。

従来の技術に比べて、本発明の透過型低エネルギー電子顕微鏡は以下の優れる点がある。透過型低エネルギー電子顕微鏡は、単層二次元ナノ材料及び多層二次元ナノ材料を直接に観察でき、二次元ナノ材料の電子透過イメージ及び電子回折イメージを獲得できる。大きなビームスポット回折イメージングモードでは、二次元ナノ材料よりも大きい電子ビームは二次元ナノ材料の全ての表面を照射でき、二次元ナノ材料試料の全ての表面を照射し、大面積の二次元ナノ材料を観察する効率を高めることができる。

本発明の実施例１における透過型低エネルギー電子顕微鏡の構造を示す図である。 本発明の実施例１における透過型低エネルギー電子顕微鏡の電子回折及び電子透過を示す断面図である。 本発明の実施例１における真空ポンプ装置の構造を示す図である。 図４ａは本発明の実施例１における電子ビームが二次元ナノ材料試料を透過する電子回折及び電子透過の原理図であり、図４ｂは本発明の実施例１における電子ビームが三次元ナノ材料試料を透過する電子回折及び電子透過の原理図である。 本発明の実験例１におけるグラフェン島の光学画像である。 図６ａは本発明の実験例１におけるグラフェン島１の透過イメージであり、図６ｂは本発明の実験例１におけるグラフェン島１の回折イメージであり、図６ｃは本発明の実験例１における単層単結晶グラフェンの透過イメージを示す略図であり、図６ｄは本発明の実験例１における単層単結晶グラフェンの回折イメージを示す略図である。 図７ａは本発明の実験例１におけるグラフェン島２の透過イメージであり、図７ｂは本発明の実験例１におけるグラフェン島２の回折イメージであり、図７ｃは本発明の実験例１における三層単結晶グラフェンの透過イメージを示す略図であり、図７ｄは本発明の実験例１における三層単結晶グラフェンの回折イメージを示す略図である。 本発明の実験例１におけるグラフェン島１の四つの選択された区域回折イメージである。 本発明の実験例１におけるグラフェン島２の四つの選択された区域回折イメージである。 図１０ａは本発明の実験例２における大面積連続な多結晶グラフェン膜の光学画像であり、図１０ｂは本発明の実験例２における大面積連続な多結晶グラフェン膜の選択された区域回折イメージであり、図１０ｃは電子ビームが大面積連続な多結晶グラフェン膜を完全に覆う前の回折イメージであり、図１０ｄは電子ビームが大面積連続な多結晶グラフェン膜を完全に覆った後の回折イメージである。 図１１ａは本発明の実験例３におけるＭｏＳ_２薄片の光学画像であり、図１１ｂは電子ビームが少数のＭｏＳ_２薄片を覆う回折イメージであり、図１１ｃは二つの結晶配向を有するＭｏＳ_２薄片の回折イメージであり、図１１ｄは一つの結晶配向を有するＭｏＳ_２薄片の回折イメージである。 本発明の実験例４における時間の変化を伴って、水分子が付着する単結晶グラフェンの透過電子回折イメージの変化工程を示す図である。 図１３ａは水分子が付着した後の一つの結晶配向を有する多結晶グラフェン膜の透過回折イメージであり、図１３ｂは水分子が付着した後の二つの結晶配向を有する多結晶グラフェンの透過回折イメージであり、図１３ｃは水分子が付着した後の三つの結晶配向を有する多結晶グラフェン膜の透過回折イメージである。 図１４ａは多結晶グラフェン膜を回転する前の透過回折イメージであり、図１４ｂは多結晶グラフェン膜を９０度回転した後の回折イメージ透過回折イメージである。 本発明の実験例７における大面積連続な多結晶グラフェン膜走査して、獲得する電子回折イメージである。 本発明の実験例８における単結晶グラフェンの異なる結晶面のsinθと電子ビームの波長λの機能的関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１及び図２を参照すると、実施例１は透過型低エネルギー電子顕微鏡１０を提供する。透過型低エネルギー電子顕微鏡１０は、真空チャンバー１１と、電子銃１２と、回折チャンバー１３と、試料ホルダ１４と、芯柱１５と、真空ポンプ装置１６と、制御コンピュータ１７と、を含む。

電子銃１２は真空チャンバー１１に設置される。真空チャンバー１１は回折チャンバー１３と接続される。試料ホルダ１４は二次元ナノ材料試料２０を固定することに用いる。試料ホルダ１４は真空チャンバー１１と回折チャンバー１３との接合部に設置される。これにより、電子銃１２から放出された電子ビームは、二次元ナノ材料試料２０を通過して回折チャンバー１３に入ることができる。芯柱１５は回折チャンバー１３と接続される。真空ポンプ装置１６は真空チャンバー１１と接続される。制御コンピュータ１７は透過型低エネルギー電子顕微鏡１０の動作を制御することに用いる。

結像装置１３２及び陽極１３４は回折チャンバー１３に設置される。結像装置１３２は、電子銃１２と陽極１３４との間に設置される。電子銃１２から放出された電子ビームは、陽極１３４の作用によって結像装置１３２に到達できる。電子銃１２から放出された電子ビームは、二次元ナノ材料試料２０を透過し、結像装置１３２に到達して、回折スポット及び/又は回折イメージを形成する。回折スポットおよび/または回折イメージによって、二次元ナノ材料試料２０の構造を分析できる。結像装置１３２は回折スポットおよび/または回折イメージを直接的に示す蛍光スクリーンであってもよい。結像装置１３２は、透過電子及び回折電子を獲得して制御コンピュータ１７に送信する電荷結合素子（ＣＣＤ）センサであってもよい。

電子銃１２から放出される電子ビームのエネルギーは８００ｅＶ〜３０００ｅＶであり、電子ビームの電流は０．１マイクロアンペア〜１マイクロアンペアであり、電子ビームスポットの直径は１００マイクロメートル〜１センチメートル。電子銃１２は、熱陰極電子源或いは電界放出冷陰極電子源であってもよい。図２を参照すると、本実施例において、電子銃１２は、四重極静電集束システムを用いたプリフォーカシングマルチレンズビーム電子銃（ｐｒｅ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｅｎｓ ｂｅａｍ ｅｌｅｃｔｒｏ ｇｕｎ）である。電子銃１２は、陰極電子エミッタＣと、四つの集束電極Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４と、を含む。四つの集束電極は、電子ビームスポットの直径を制御できる。 電子銃１２は層状銃であってもよい。層状銃は、より均一なスポット及びより大きな電流密度を有して、イメージング回折品質を向上させることができる。 さらに、透過型低エネルギー電子顕微鏡１０は移動プラットフォーム１９を含むことができる。移動プラットフォーム１９は電子銃１２を移動させて、電子ビームが二次元ナノ材料試料２０を走査することを実現できる。

試料ホルダ１４は、二次元ナノ材料試料２０を固定することに用いる。試料ホルダ１４の構造及びサイズを制限されず、必要によって設けることができる。一つの例において、試料ホルダ１４は円形の銅プレートである。銅プレートの中心には貫通孔を有する。貫通孔の直径は二次元ナノ材料試料２０のサイズより小さい。二次元ナノ材料試料２０が貫通孔を覆うことができる。さらに、試料ホルダ１４は移動装置を含むことができる。移動装置によって、二次元ナノ材料試料２０をＸＹＺ方向に沿って移動させることができる。これにより、電子ビームが二次元ナノ材料試料２０を走査することを実現できる。

さらに、試料ホルダ１４は、二次元ナノ材料試料２０を加熱する加熱素子を含むことができる。これにより、様々な温度での二次元ナノ材料試料２０の構造及び相互作用現象を観察できる。試料ホルダ１４を室温から１５００Ｋまで加熱できる。 本実施例において、試料ホルダ１４は相互に間隔をあけて設置される二つの電極１４２を含む。二次元ナノ材料試料２０を試料ホルダ１４に固定する際、二次元ナノ材料試料２０を担持する導電支持体は、二つの電極１４２と電気的に接続される。導電支持体は、銅メッシュ或いはカーボンナノチューブフィルムであってもよい。電極１４２によって、導電支持体に電流を入力して、導電支持体に設置される二次元ナノ材料試料２０を加熱できる。さらに、試料ホルダ１４は温度センサを含むことができる。温度センサは二次元ナノ材料試料２０の温度を検出できる。

さらに、透過型低エネルギー電子顕微鏡１０は噴霧装置１８を含むことができる。噴霧装置１８が試料ホルダ１４に隣接して設置されるので、噴霧装置１８から噴出された分子材料が二次元ナノ材料試料２０に付着できる。これにより、異なる材料に対しての二次元ナノ材料試料２０の吸収または反応が観察できる。

さらに、透過型低エネルギー電子顕微鏡１０は導電性ロッド２９を含むことができる。導電性ロッド２９は、対向する第一端部及び第二端部を有する。導電性ロッド２９の第一端部は、回折チャンバー１３の内壁に固定される。導電性ロッド２９は回転できる。導電性ロッド２９は結像装置１３２の前に回転する際、零次回折スポット或いは透過スポットが遮蔽され、回折イメージのみを得ることができる。透過型低エネルギー電子顕微鏡１０はファラデーカップ（Ｆａｒａｄａｙ ｃｕｐ）（図示せず）を含むこともできる。これにより、単一の回折ビームの強さを検出できる。

図３を参照すると、真空ポンプ装置１６は制限されず、必要に応じて設けることができる。本実施例において、真空ポンプ装置１６は、イオンポンプ１６１と、第一分子ポンプ１６２と、第二分子ポンプ１６３と、機械式ポンプ１６４と、制御装置１６５と、を含む。イオンポンプ１６１と第二分子ポンプ１６３はそれぞれ真空チャンバー１１に接続される。第一分子ポンプ１６２は、予備真空室１６６によって真空チャンバー１１に接続される。機械式ポンプ１６４は第一分子ポンプ１６２及び第二分子ポンプ１６３にそれぞれ接続されている。制御装置１６５は真空ポンプ装置１６の動作を制御できる。真空チャンバー１１の圧力は１０^−３Ｐａ〜１０^−６Ｐａである。１０^−３Ｐａ〜１０^−６Ｐａの圧力範囲で、透過電子の回折スポット及び回折イメージを観察できる。

制御コンピュータ１７は、スイッチングモジュールと、計算モジュールと、画像処理モジュールと、距離制御モジュールと、を含む。 スイッチングモジュールは、大きなビームスポット回折イメージングモード及び小さなビームスポット回折イメージングモードを切り替えることができる。大きなビームスポット回折イメージングモードでは、二次元ナノ材料試料２０のサイズより大きい電子ビームは、二次元ナノ材料試料２０の全ての表面を照射し、二次元ナノ材料試料２０全体の回折イメージが得られる。小さなビームスポット回折イメージングモードでは、二次元ナノ材料試料２０のサイズより小さい電子ビームは、二次元ナノ材料試料２０の表面の一部を走査し、或いは二次元ナノ材料試料２０の全ての表面を走査し、二次元ナノ材料試料２０一部の回折イメージが得られる。計算モジュールは二次元ナノ材料試料２０の格子周期を計算することに用いる。 画像処理モジュールは回折イメージを処理することに用いる。例えば、画像処理モジュールは回折リングの半径Ｒを得ることができる。距離制御モジュールは、二次元ナノ材料試料２０と結像装置１３２との間の距離Ｄを調整できる。

透過型低エネルギー電子顕微鏡１０は二次元ナノ材料、特に単原子層のみを有する二次元ナノ材料に対する観察に有利である。従来の三元ナノ材料の電子回折と二次元ナノ材料の電子回折との違いを以下に説明する。

図４（ａ）を参照すると、二次元ナノ材料の電子回折は式dsinθ=λを満たす。ｄは二次元のナノ材料の格子周期を表す。θは回折電子ビーム２４と透過電子ビーム２６との角度を表す。図４（ｂ）を参照すると、三次元ナノ材料の電子回折は式2d’sinθ’=λを満たす。ｄ’は三次元ナノ材料の結晶表面の面間隔を表す。θ’は入射電子ビーム２２と三次元ナノ材料の結晶表面２８との角度を表す。従来の三次元ナノ材料の電子回折において、回折電子ビーム２４と透過電子ビーム２６との間の角度は２θ’である。通常に選択された区域の電子回折では、θまたはθ’は非常に小さく、式
または
を満たす。二次元ナノ材料の電子回折では
を満たす。従来の三次元ナノ材料の電子回折では、式
を満たす。

制御コンピュータ１７の計算モジュールは式
によって、二次元ナノ材料試料２０の格子周期ｄを計算できる。図２を参照すると、同じ結晶方向には、回折電子ビーム２４は結像装置１３２に回折リングを形成し、透過電子ビーム２６は結像装置１３２に透過スポットを形成する。回折リングと透過スポットとの距離は回折リングの半径Ｒと同じである。画像処理モジュールによって、回折リングの半径Ｒを獲得できる。二次元ナノ材料試料２０と結像装置１３２との距離はＤである。θは半径Ｒと距離Ｄによって計算できる。波長λは入射電子ビーム２２のエネルギーによって獲得できる。これにより、式
によって、二次元ナノ材料試料２０の格子周期ｄを計算できる。

選択された区域の電子回折及びマイクロ回折において、平行またはほぼ平行の電子ビームを使用する。選択された区域の電子回折において、電子ビームの直径は０．５マイクロメートル〜１マイクロメートルである。マイクロ回折では、電子ビームの直径は０．５マイクロメートル以下である。従来の電子回折装置では、試料よりも小さな電子ビームが用いられ、試料の一部のみが回折される。ＬＥＥＤは、低エネルギー電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）モードを有することができるが、ＬＥＥＭモードは、一つの回折ビームのみを選択して画像を形成することができ、且つ電子ビームのスポットは小さい。

透過型低エネルギー電子顕微鏡１０は、単層グラフェン、多層グラフェンまたはＭｏＳ_２などの二次元ナノ材料試料２０を観察することに用いることができる。透過型低エネルギー電子顕微鏡１０は以下の有益な効果を有する。第一に、サイズが１０マイクロメートル〜数ミリメートルである二次元ナノ材料試料２０を一度完全に観察できる。二次元ナノ材料試料２０を移動させることによって、１センチメートルを超えるサイズの二次元ナノ材料試料２０を迅速に走査することができる。第二に、透過型低エネルギー電子顕微鏡１０の電子ビームのエネルギーはより低く、二次元ナノ材料試料２０を破壊しない。二次元ナノ材料試料２０は試料ホルダ１４によって懸架され、基板の影響を受けないようにすることができる。これにより、二次元ナノ材料試料２０の性能を正確に獲得できる。第三に、試料の局部を加熱するによって、試料自体の脱気を達成できる。使用される試料はほとんど導電性がある。非導電性試料を使用する際に、非導電性試料をカーボンナノチューブフィルムに設置することができる。これにより、非導電性試料をジュール加熱によって加熱できる。また、試料自体の性能研究に対して、試料を加熱することによって、温度変化に伴う試料の性能を観察できる。

透過型低エネルギー電子顕微鏡１０を用いてグラフェンまたはＭｏＳ_２を観察する例を以下に示す。

（実験例１）
図５ａ及び図５ｂは、ＣＶＤ法により銅箔に成長したグラフェン島を示す。図５ｃは、ＣＧＦ（ＣＮＴ/グラフェンハイブリッドフィルム）を示す。ＣＧＦはカーボンナノチューブ構造体及びグラフェンアイランドを含む。図５ａ〜５ｂを参照すると、二次元ナノ材料試料２０は銅箔に成長したグラフェン島である。１平方ミリメートル以上の面積を有する二つのグラフェン島は、それぞれ数字１及び２がマークされる。以下には、グラフェン島１及びグラフェン島２で表す。図５ｃを参照すると、グラフェン島１及びグラフェン島２が銅箔からカーボンナノチューブフィルムに転移される。カーボンナノチューブ構造体は相互に交差して且つ積層される少なくとも二つのドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む。カーボンナノチューブ構造体はネット構造体である。ドローン構造カーボンナノチューブフィルムは複数のカーボンナノチューブを含む。複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って配列され且つ分子間力で端と端とが接続されている。これにより、二つのグラフェン島の一部は、隣接するカーボンナノチューブの間の穴によって懸架される。二つのグラフェン島が設置されたカーボンナノチューブ構造体は、円形の銅板に設置し、且つ円形の銅板の貫通孔を覆う。カーボンナノチューブ構造体が超薄で疎な多孔質構造であるので、二次元ナノ材料試料２０にほとんど影響を与えない。さらに、カーボンナノチューブ構造体の回折スポットは、主に隣接するカーボンナノチューブの壁の間に発生し、低角度を有し、二次元ナノ材料試料２０の回折スポットに影響を与えない。

透過型低エネルギー電子顕微鏡１０で二つのグラフェン島が観察される。電子ビームがグラフェン島１の全体を照射する際、グラフェン島１の中心透過イメージ及び回折イメージが観察される。グラフェン島１の中心透過イメージ及び回折イメージはそれぞれ図６ａ、図６ｂに示す。図６ａ及び図６ｂに示すように、透過パターン及び回折パターンの形状は、グラフェン島１のパターンに対応する。図６ｃ及び図６ｄは、それぞれ単層単結晶グラフェンの透過イメージ及び回折イメージの概略図である。図６ａ及び図６ｂは図６ｃ及び図６ｄと対比して、グラフェン島１は単層単結晶グラフェンであることを説明する。

図７ａ及び図７ｂを参照すると、電子ビームがグラフェン島２の全体を覆う際、グラフェン島２の中心透過イメージ及び回折イメージが観察される。グラフェン島２の中心透過イメージ及び回折イメージはそれぞれ図７ａ、図７ｂに示す。グラフェン島２の透過パターンはグラフェン島１の透過パターンと似ている。グラフェン島２の回折パターンはグラフェン島１の回折パターンより複雑である。図７ｃ及び図７ｄは、それぞれ三層単結晶グラフェンの透過イメージ及び回折イメージの概略図である。図７ａ及び図７ｂは図７ｃ及び図７ｄと対比して、グラフェン島２は三層単結晶グラフェンであることを説明する。

異なるグラフェンを透過する電子が異なる方位角によって回折するので、多層単結晶グラフェンの回折パターンは各層のグラフェンの回折パターンを重ねるものである。電子ビームが集束される際、選択された区域電子回折（ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ＳＡＥＤ）イメージは獲得できる。図８は、グラフェン島１の四つの選択された区域電子回折イメージを示す。 図９は、グラフェン島２の四つの選択された区域電子回折イメージを示す。図８を参照すると、グラフェン島１の選択された区域電子回折イメージは、単一の六角形回折格子を含む。これにより、グラフェン島１が単層単結晶グラフェンであることを確認する。図９を参照すると、グラフェン島２の選択された区域電子回折イメージは、異なる三つの六角形回折格子を含む。これにより、グラフェン島２が三層単結晶グラフェンであることを確認する。異なる三つの六角形回折格子はそれぞれ数字１、２及び３を示す。

（実験例２）
図１０ａを参照すると、実験例２における二次元ナノ材料試料２０は、ＳｉＯ_２層に転移された大面積連続な多結晶グラフェン膜である。ＳｉＯ_２層はシリコン基板に設置される。図１０ｂに示す選択された区域電子回折イメージによって、多結晶グラフェン膜が単層グラフェンであることを確認できる。図１０ｃ及び図１０ｄは、電子ビームがサンプルの全体を覆って獲得する回折イメージである。図６ｂと異なり、図１０ｃに示す回折パターンは同じ形状有する二つセットの回折格子を含む。１０ｄを参照すると、電子ビームを集束させる際、同じ形状有する二つセットの回折格子を含む回折パターンを得ることができる。図１０ｃ及び図１０ｄには、ミリメートルサイズの大面積連続多結晶グラフェン膜全体の結晶分布を示す。平方ミリメートルサイズ多結晶グラフェン膜は小さな複数の単結晶グラフェンを含むので、多結晶グラフェン膜の回折パターンは、数千の小さな単結晶グラフェンが重なるものである。図１０ｄを示すように、二つセットの六角形の回折格子によって、多結晶グラフェン膜が二つの優先配向を有することを説明する。

（実験例３）
図１１ａを参照すると、実験例３における二次元ナノ材料試料２０はＭｏＳ_２薄片である。ＭｏＳ_２薄片はシリコン基板表面に設置されたＳｉＯ_２層に成長する。図１１ａを参照すると、シリコン基板に複数のＭｏＳ_２薄片が非連続に設置される。シリコン基板におけるＭｏＳ_２薄片の被覆率は１９％である。図１１ｂは、電子ビームがサンプルの全体を覆って獲得する回折イメージを示す。ＭｏＳ_２薄片は多結晶構造であり、且つ複数の回折格子を含む。これにより、ＭｏＳ_２薄片は優先結晶配向を有しない。しかし、電子ビームが少数のＭｏＳ_２薄片を覆う場合、ＭｏＳ_２薄片の結晶配向がはっきりと観察できる。図１１ｃは、二つの結晶配向を有するＭｏＳ_２薄片の透過電子回折イメージを示す。図１１ｄは、一つの結晶配向のみを有するＭｏＳ_２薄片の透過電子回折イメージを示す。ＭｏＳ_２薄片のサイズが数十マイクロメートルであり、電子ビームサイズよりもはるかに小さい。これにより、透過型低エネルギー電子顕微鏡１０の解像度は電子ビームサイズを超える。

（実験例４）
実験例４における二次元ナノ材料試料２０は実験例１における二次元ナノ材料試料２０と基本的に同じであり、実験例４における二次元ナノ材料試料２０も単層単結晶グラフェンである。異なるのは、実験例４には、単層単結晶グラフェンを脱イオン水で洗浄した後、透過型低エネルギー電子顕微鏡１０で単層単結晶グラフェンを観察する点である。図１２ａを参照すると、一つのセットの六角形の回折格子が透過スポットの近くに現れる。これらの回折格子の回転角は、グラフェンの｛１０−１０｝回折格子と同じである。図１２ｂ〜図１２ｄは示すように、数秒の後、グラフェンの回折格子以外の回折格子は消失する。電子銃１２はほかの位置に移動する際、同じ回折格子は再び現れ、数秒の後、グラフェンの回折格子以外の回折格子は再び消失する。真空中に単層単結晶グラフェンが発光まで単層単結晶グラフェンを加熱する際、グラフェンの回折格子以外の回折格子は現れない。電子ビームで単層単結晶グラフェンを照射した後、或いは単層単結晶グラフェンを加熱した後に、単層単結晶グラフェンに水蒸気を噴射して、回折格子は再び現れ、数秒の後、グラフェンの回折格子以外の回折格子は再び消失する。これにより、グラフェンの回折格子以外の回折格子は単層単結晶グラフェンに付着する水分子で生成する。

（実験例５）
実験例５における二次元ナノ材料試料２０は実験例２における二次元ナノ材料試料２０と基本的に同じであるが、異なるのは、実験例５における二次元ナノ材料試料２０は一つの結晶配向を有する多結晶グラフェン膜と、二つの結晶配向を有する多結晶グラフェン膜と、三つの結晶配向を有する多結晶グラフェン膜と、を含む。図１３は、水分子が前記三つの試料に付着した後に、透過型低エネルギー電子顕微鏡１０で観察して獲得する透過回折イメージを示す。

（実験例６）
実験例６における二次元ナノ材料試料２０はカーボンナノチューブ構造体に転移された大面積連続な多結晶グラフェン膜である。図１４ａ及び図１４ｂは、多結晶グラフェン膜の同じ区域の回折イメージを示す。図１４ａは、多結晶グラフェン膜を回転する前の回折パターンを示す。図１４ｂは、多結晶グラフェン膜を９０度回転した後の回折パターンを示す。多結晶グラフェン膜を９０度回転する際、回折パターンも９０度回転する。

（実験例７）
実験例７における二次元ナノ材料試料２０は実験例６における二次元ナノ材料試料２０と基本的に同じであり、実験例７における二次元ナノ材料試料２０はカーボンナノチューブ構造体に転移された大面積連続な多結晶グラフェン膜である。異なるのは、実験例７における多結晶グラフェン膜をエッチングすることによって、多結晶グラフェン膜に間隙を形成する点である。間隙の幅がミリメートルサイズである。間隙と垂直する方向に沿って、電子ビームが多結晶グラフェン膜を走査して、電子回折パターンを獲得する。矢印は、電子ビームの移動方向を示す。図１５には示すように、電子ビームが間隙を通過する際、電子回折パターンの回折スポットは、徐々に暗くなり、消失する。これにより、電子回折パターンは試料から生じることを説明する。

（実験例８）
実験例８における二次元ナノ材料試料２０はカーボンナノチューブ構造体に転移された単結晶グラフェンである。実験例８には、単結晶グラフェンの結晶面(１０-１０)と結晶面(１１-２０)との格子周期ｄを測定する。図１６には、単結晶グラフェンのsinθと入射電子ビーム２２の波長λの機能的関係を示す。その中、θ1は結晶面(１０-１０)と対応する回折電子ビーム２４と透過電子ビーム２６となす角である。θ2は結晶面(１１-２０)と対応する回折電子ビーム２４と透過電子ビーム２６となす角である。式dsinθ=λによって、単結晶グラフェンの各結晶面の格子周期を計算できる。

１０ 透過型低エネルギー電子顕微鏡
１１ 真空チャンバー
１２ 電子銃
１３ 回折チャンバー
１４ 試料ホルダ
１５ 芯柱
１６ 真空ポンプ装置
１６１ イオンポンプ
１６２ 第一分子ポンプ
１６３ 第二分子ポンプ
１６４ 機械式ポンプ
１６５ 制御装置
１６６ 予備真空室
１７ 制御コンピュータ
１８ 噴霧装置
１９ 移動プラットフォーム
２０ 二次元ナノ材料試料
２２ 入射電子ビーム
２４ 回折電子ビーム
２６ 透過電子ビーム
２８ 結晶表面
２９ 導電性ロッド

Claims (2)

1. 真空チャンバーと、電子銃と、回折チャンバーと、結像装置と、試料ホルダと、芯柱と、真空ポンプ装置と、制御コンピュータと、を含む透過型低エネルギー電子顕微鏡であって、
   前記電子銃は真空チャンバーに設置され、電子ビームを放出することに用いられ、
   前記回折チャンバーは前記真空チャンバーと接続され、
   前記結像装置は前記回折チャンバーに設置され、
   前記試料ホルダは二次元ナノ材料試料を固定することに用いられ、
   前記芯柱は前記回折チャンバーと接続され、
   前記真空ポンプ装置は前記真空チャンバーと接続され、
   前記制御コンピュータは透過型低エネルギー電子顕微鏡の動作を制御することに用いられ、前記制御コンピュータはスイッチングモジュールを含み、前記スイッチングモジュールは、大きなビームスポット回折イメージングモード及び小さなビームスポット回折イメージングモードを切り替えることに用いられ、前記大きなビームスポット回折イメージングモードでは、前記二次元ナノ材料試料のサイズより大きい電子ビームは、前記二次元ナノ材料試料の全ての表面を照射し、前記二次元ナノ材料試料全体の回折イメージが得られ、前記小さなビームスポット回折イメージングモードでは、前記二次元ナノ材料試料のサイズよりも小さい電子ビームは、前記二次元ナノ材料試料の表面の一部を走査し、或いは前記二次元ナノ材料試料の全ての表面を走査し、前記二次元ナノ材料試料一部の回折イメージが得られる
   ことを特徴とする透過型低エネルギー電子顕微鏡。
2. 前記制御コンピュータは、画像処理モジュールと、距離制御モジュールと、を含み、
   前記画像処理モジュールは回折イメージを処理して、回折リングの半径Ｒを得ることに用いられ、
   前記距離制御モジュールは、前記二次元ナノ材料試料と前記結像装置との距離を調整することに用いられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の透過型低エネルギー電子顕微鏡。