JP6169334B2 - 電子顕微鏡および電子顕微鏡用試料保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡および電子顕微鏡に用いられる試料保持装置に関する。

電子顕微鏡により、試料を高温でガスと反応させ、その様子をリアルタイムで観察するものとして、試料を加熱するヒータに向かってガスを吹き付けるためのキャピラリーチューブを設けた試料ホルダーを電子顕微鏡等に装着して高温でのガス反応を観察する例が特許文献１に記載されている。また、ガスは横から導入しているが、試料ホルダーに電子線通過用の開口が上下にあるものが特許文献２に記載されている。また、試料が内部に入れられるキャピラリに回転機構を持たせ、顕微鏡のステージに設置した例が、特許文献３に記載されている。

特開２００３−１８７７３５号 特開昭５１−２６７号公報 特開平10−206748号

上記従来技術において、隔膜を重ね合わせて、ガス雰囲気と真空を仕切ったセル内にガスおよび液体を導入する構造では、セルからガスおよび液体が漏れないようにセル部品を接着するか、ガスケットなどを用いて封止し、漏れを防ぐ必要があり、セルの組み立ておよび試料支持部への取り付けが煩雑になるという問題があった。また、封止が不十分でガスおよび液体が漏れるという問題があった。

また、上記別の従来技術においては、光学顕微鏡下での試料の三次元観察のために、キャピラリ内部に試料を装填し、回転させながら観察を行うという方法であり、電子顕微鏡に用いる点については配慮がされていなかった。また、キャピラリ内部に試料と反応させるためのガスや液体を充填する、あるいはその雰囲気中で試料の加熱や電圧を印加し、その反応を観察する点については配慮されていなかった。

本発明の目的は、電子顕微鏡内に、容易で安全にガスまたは、液体雰囲気、または気液混合流液雰囲気を作製し、その中の試料およびその反応を高分解能で観察することが可能な電子顕微鏡および電子顕微鏡用試料保持装置を提供することにある。

上記課題に鑑み、本発明は、例えば、一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される電子線を集束し、試料に照射する電子線制御手段と、試料から発生した電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を作成する演算装置と、前記試料像を表示する表示手段と、前記表示された試料像を記録する手段と、前記試料を保持する試料保持手段とを備えた電子顕微鏡において、前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、前記キャピラリ内部に気体又は液体を供給する供給装置と、前記気体又は液体を回収する回収装置を有し、前記気体又は液体を流しながら前記試料の試料像を取得するとの構成を有する。

本発明によれば、簡単な構成で電子顕微鏡の試料室内に試料を含む微小ガス空間あるいは微小液体空間あるいはその混合空間を形成し、その中で試料を加熱あるいは電圧印加し、試料の変化を高分解能で観察することが可能となる。

本発明の一実施例である電子線装置の基本構成図。 一実施例である電子顕微鏡用試料保持装置先端部の基本構成図。 一実施例である電子顕微鏡用試料保持装置先端部。 一実施例である電子顕微鏡１試料予備排気室および電子顕微鏡用試料保持装置の構成図。 一実施例である電子顕微鏡用試料保持装置先端部の上面図(a)および断面図(b)。 一実施例である電子顕微鏡用試料保持装置先端部の上面図。 一実施例である電子顕微鏡用試料保持装置先端部の上面図。 実施例である電子顕微鏡用試料保持装置先端部。

図１に本発明の一実施例である電子顕微鏡１の基本構成図を示す。電子顕微鏡１の鏡体は、電子銃２，コンデンサーレンズ３，対物レンズ４，投射レンズ５により構成されている。対物レンズ４の間には、電子顕微鏡用試料保持装置６が挿入される。投射レンズ５の下方には、蛍光板７が、蛍光板７の下には、ＴＶカメラ８が装着されている。ＴＶカメラ８は、画像表示部９aを介し画像記録部９ｂに接続されており、動画の撮像も可能である。画像記録部9ｂは試料環境制御部10に接続されている。

コンデンサーレンズ３，対物レンズ４の間には差動排気のための絞り11が配されている。電子銃２およびコンデンサーレンズ3の間、コンデンサーレンズ３および対物レンズ４の間、電子顕微鏡試料室12，観察室13はそれぞれ、バルブ14を介して、異なる真空ポンプ15に接続されている。電子顕微鏡用試料保持装置6には先端部に電子線16が透過可能な厚さ部分を有する円筒形あるいは角型キャピラリ17を備え、キャピラリの入り口17aおよび出口端面17ｂは電子顕微鏡1の鏡体外に通じている。キャピラリの入り口端面17aは、バルブ18を介してガス・液体供給装置19に接続されている。ガス・液体供給装置19は流量制御部19aおよび貯蔵部19bで構成されており、環境制御部10に接続されている。

キャピラリの出口端面17ｂは、分岐され、一方は導入雰囲気がガスの場合、開閉バルブ18を介して排気ポンプ20に、導入雰囲気が液体の場合には排気ポンプ20の代わりに捕集容器2１に接続される。また、もう一方の分岐された端面はバルブ14を介して、真空ポンプ15に接続されている。
電子顕微鏡試料室12には試料予備排気室22が接続されており、試料予備排気室22はバルブ14を介して真空ポンプ15に接続されている。

試料23は棒状の試料固定部24の先端に取り付けキャピラリ17内の電子線透過可能な部分に配される。試料23が溶液中に分散されている場合はキャピラリ17内部を浮遊しているもの、あるいは壁面および前記試料固定部24の先端に付着したものを観察する。

電子銃２から発生した電子線16はコンデンサーレンズ３により収束され試料23に照射される。試料23を透過した電子線16は対物レンズ４により結像され、投射レンズ５により拡大、蛍光板７上に投影される。または、蛍光板７を持ち上げ、ＴＶカメラ８に投影し、画像表示部９aに透過像が表示され、画像記録部９ｂに記録される。

電子顕微鏡用試料保持装置６を電子顕微鏡試料室１2に挿入する際は、電子顕微鏡用試料保持装置６キャピラリ17内部は、予め試料予備排気室22で試料予備排気室22と同時に真空ポンプ15によりスロー排気されてから、電子顕微鏡試料室12に挿入される。試料環境制御部10において、試料近傍雰囲気の所望の気体・液体流量、圧力を入力し、供給装置19で所望の条件に設定する。供給装置19から気体・液体および混合流体を供給し、気体・液体および混合流体はキャピラリ17内部に導入される。TVカメラ8で気体・液体および混合流体雰囲気での試料23の透過像を撮像する。画像表示部９aに透過像が表示され、画像記録部９ｂに連続記録される。試料環境制御部10では画像記録部９ｂのカウンターと同期させて、試料23近傍の雰囲気条件を随時モニターし記録する。キャピラリ内部に導入されたガスはキャピラリの出口端面17ｂに接続された真空ポンプ20で排気、あるいは、捕集容器21に回収される。
装置稼働中の雰囲気の流量、圧力、温湿度、ビデオカウンター等の条件は試料環境制御部10で記録される。

図２に本発明の一実施例である電子顕微鏡用試料保持装置6先端部の基本構成図を示す。電子顕微鏡用試料保持装置6先端部には、円筒型あるいは角型キャピラリ17がU字状になるように固定される。また、電子顕微鏡用試料保持装置6先端部には電子線通過孔25が設けられており、通過孔25の部分にキャピラリ17の一部が設置される。通過孔25部分にセットされたキャピラリ17の一部は、照射電子線によるチャージアップ防止のため、20nm以下の厚さのカーボンコーティングがキャピラリ外部に施されている。また、電子顕微鏡用試料保持装置6軸部分は中空になっており、その部分にキャピラリ17が挿入される。通過孔25部分にセットされたキャピラリ17の壁厚みは電子線16透過可能な厚さである。電子線１６の加速電圧の条件に応じてキャピラリの厚みを変更すればよい。軸部分のキャピラリ17には、電子顕微鏡用試料保持装置6の先端部と軸部分の真空を遮断するようにパッキン26が取り付けられている。キャピラリ17の排気側は、より効率よく排気できるように導入側と比べ大きな内径を有する。キャピラリ17は電子顕微鏡用試料保持装置6後端部からパッキン26ごと取り外しが可能である。

図3に本発明の一実施例である電子顕微鏡用試料保持装置6先端部を示す。試料23は棒状の試料固定部24先端に取り付けられる。試料23自体を固定部24に直接固定してもよいし、キャピラリ17内部に挿入可能な大きさの、高分子膜などを張ったメッシュ形状の支持部を固定部24先端に取り付け、そこに試料23を載せてもよい。棒状の試料固定部24の終端はキャピラリ17とともに鏡体外に引き出され、回転機構27に接続されている。回転機構27により、試料はキャピラリ内部で360度回転および水平方向に移動することが可能である。また、試料固定部24の先端に取り付けられたメッシュは導入するガスあるいは溶液中の試料23を捕集するために使用することも可能である。回転機構27は試料回転制御部28を介して試料環境制御部10に接続されている。

図４に本発明の一実施例である電子顕微鏡１試料予備排気室22および電子顕微鏡用試料保持装置6の構成図を示す。試料保持装置6の終端部分は鏡体外に、保持装置6内に組み込まれたキャピラリの入口端面17aおよび出口端面17bも鏡体外に設置される。キャピラリの入口端面17aはバルブ18を介してガス・液体供給装置19に接続されている。ガス・液体供給装置19は流量制御部19aおよび貯蔵部19bで構成されており、環境制御部10に接続されている。キャピラリの入口端面17aに設けられた試料回転機構27は、試料回転制御部28を介して環境制御部10に接続されており装置稼働中の試料角度は環境制御部10で、画像とともに記録される。

試料予備排気室22はスローリークバルブ14を介して真空ポンプ15に接続されており、前記真空ポンプ15には試料保持装置6の分岐されたキャピラリ出口端面17ｂの一方が開閉バルブ18およびスローリークバルブ14を介して接続されている。分岐されたキャピラリ出口端面17ｂのもう一方は、バルブ18を介して捕集容器2１あるいは質量分析計29に接続されている。質量分析計29は真空ポンプ20および試料環境制御部10に接続されており、キャピラリ17にガスを導入した後、排出されたガスを分析することによって、キャピラリ17内部での反応生成物の分析が可能で、観察結果と結び付けることが可能である。分析結果は試料環境条件とともに試料環境制御部10に記録される。

図5に本発明の別の実施例である電子顕微鏡用試料保持装置6先端部の上面図(a)および断面図(b)を示す。ガスおよび液体導入側のキャピラリ17の一部の径を細くし、その部分に電子線通過孔25を設ける。これにより、ガスおよび液体により電子線が大きく散乱されて像がぼけることを避け、高分解能で観察が可能となる。

図6に本発明の別の実施例である電子顕微鏡用試料保持装置6先端部の上面図を示す。電子線16透過可能なキャピラリ17の電子線16透過部分以外は、金属膜または導電性樹脂膜30で被覆されている。これにより、耐圧、耐熱および機械的強度の低下を防止することが可能となる。

図7に本発明の別の実施例である電子顕微鏡用試料保持装置6先端部の上面図(a)を示す。電子線16透過可能なキャピラリ17の電子線16透過部分内部にヒータ31を設け、試料23はヒータ31部分に直接付着させる。ヒータ31の両端分はキャピラリ17外に引き出され、加熱電源32に接続されている。加熱電源32は試料環境制御部10に接続されており、加熱条件は環境制御部10で記録される。これにより、試料23のガス中での高温変化の観察が可能となる。あるいは、図7(b)のように試料保持装置6先端部分のみにU字型キャピラリ17を配し、真空を遮断するパッキン26の外側部分に配した電極33に、キャピラリ17内部にセットしたヒータ31の端部を接続する。これにより、ヒータ31の位置調整およびヒータ31への試料23固定が容易となる。

図8に本発明の別の実施例である電子顕微鏡用試料保持装置6先端部を示す。電子顕微鏡用試料保持装置6先端部のキャピラリ17の一部を金属でフタ34をし、前記フタ34にキャピラリ17内部に伸びる金属板35を備える。試料23は試料固定部24先端に取り付け、金属板35に接触させる。もう一方の試料固定部24の顕微鏡1鏡体外に取り出された端部と、キャピラリ17の金属フタ34部分に取り付けられた金属板35に電圧を印加する電圧印加電源36が設けられている。電圧印加電源36は試料環境制御部10に接続されており、条件は環境制御部10で記録される。これにより、ガス中および液体中の試料23に電圧を印加し、試料23の変化を動的観察することが可能となる。

１ 電子顕微鏡
２ 電子銃
３ コンデンサーレンズ
４ 対物レンズ
５ 投射レンズ
６ 電子顕微鏡用試料保持装置
７ 蛍光板
８ ＴＶカメラ
９ａ 画像表示部
９ｂ 画像記録部
１０ 試料環境制御部
１１ 差動排気絞り
１２ 電子顕微鏡試料室
１３ 観察室
１４ バルブ
１５ 真空ポンプ
１６ 電子線
１７ キャピラリ
１７a キャピラリ入り口
１７b キャピラリ入り口出口
１８ 開閉バルブ
１９ ガス・液体供給装置
19a 流量制御部
19b 貯蔵部
20 排気ポンプ
21 捕集容器
22 試料予備排気室
23 試料
24 試料固定部
25 電子線通過孔
26 パッキン
27 回転機構
28 試料回転制御部
29 質量分析計
30 金属または導電性樹脂膜
31 ヒータ
32 加熱電源
33 電極
34 フタ
35 金属板
36 電圧印加電源

Claims (34)

1. 一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される電子線を集束し、試料に照射する電子線制御手段と、試料から発生した電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を作成する演算装置と、前記試料像を表示する表示手段と、前記表示された試料像を記録する手段と、を備えた電子顕微鏡において、
   前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
   前記キャピラリは前記試料を試料室の真空から遮蔽し、
   前記キャピラリ内部に気体又は液体を供給する供給装置と、
   前記気体又は液体を回収する回収装置を有し、
   前記気体又は液体を流しながら前記試料の試料像を取得することを特徴とする電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記キャピラリの電子線照射部がカーボンコーティングされていることを特徴とする電子顕微鏡。
3. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記キャピラリの電子線透過部分以外が金属又は導電性樹脂で被覆されていることを特徴とする電子顕微鏡。
4. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   電子線透過可能なキャピラリの内部にヒータを設けたことを特徴とする電子顕微鏡。
5. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記キャピラリ内部に、前記試料を固定可能な試料固定部が配置され、前記試料固定部をキャピラリ内部で移動及び／又は回転が可能な駆動機構を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
6. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記キャピラリの電子線照射部が細くなっていることを特徴とする電子顕微鏡。
7. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記キャピラリの内部に電圧印加部を設け、当該電圧印加部は前記キャピラリの外部に配置された電圧印加手段と接続したことを特徴とする電子顕微鏡
8. 請求項１の電子顕微鏡において、
   前記回収装置が、前記気体又は液体の質量分析が可能であることを特徴とする電子顕微鏡。
9. 請求項１に記載の電子顕微鏡において、
   前記キャピラリを保持する保持部を有し、
   前記キャピラリは前記保持部の内部にあり、
   前記キャピラリはＵ字状の部分を含むことを特徴とする電子顕微鏡
10. 請求項１に記載の電子顕微鏡において、
    前記供給装置は前記キャピラリ内部に前記液体を供給することを特徴とする電子顕微鏡。
11. 電子顕微鏡に搭載され観察対象の試料を保持する試料保持装置であって、
    当該試料保持装置は電子線が透過可能なキャピラリを備え、
    前記キャピラリは試料を電子顕微鏡の試料室の真空から遮蔽し、
    前記試料は前記キャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体が供給されることを特徴とする試料保持装置。
12. 請求項１１記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリの電子線照射部がカーボンコーティングされていることを特徴とする試料保持装置。
13. 請求項１１記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリの電子線透過部分以外が金属又は導電性樹脂で被覆されていることを特徴とする試料保持装置。
14. 請求項１１記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリの内部にヒータを設けたことを特徴とする試料保持装置。
15. 請求項１１記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリ内部に、前記試料を固定可能な試料固定部が配置され、
    前記試料固定部をキャピラリ内部で移動及び／又は回転が可能な駆動機構を備えることを特徴とする試料保持装置。
16. 請求項１１記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリの内部に電圧印加部を設け、
    当該電圧印加部は前記キャピラリの外部に配置された電圧印加手段と接続したことを特徴とする試料保持装置。
17. 請求項１１に記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリはＵ字状の部分を含むことを特徴とする試料保持装置
18. 請求項１１に記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリ内部に液体が供給されることを特徴とする試料保持装置。
19. 一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される電子線を集束し、試料に照射する電子線制御手段と、試料から発生した電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を作成する演算装置と、前記試料像を表示する表示手段と、前記表示された試料像を記録する手段と、を備えた電子顕微鏡において、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体を供給する供給装置と、
    前記気体又は液体を回収する回収装置を有し、
    前記気体又は液体を流しながら前記試料の試料像を取得し、
    前記キャピラリの電子線照射部がカーボンコーティングされていることを特徴とする電子顕微鏡。
20. 一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される電子線を集束し、試料に照射する電子線制御手段と、試料から発生した電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を作成する演算装置と、前記試料像を表示する表示手段と、前記表示された試料像を記録する手段と、を備えた電子顕微鏡において、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体を供給する供給装置と、
    前記気体又は液体を回収する回収装置を有し、
    前記気体又は液体を流しながら前記試料の試料像を取得し、
    前記キャピラリの電子線透過部分以外が金属又は導電性樹脂で被覆されていることを特徴とする電子顕微鏡。
21. 一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される電子線を集束し、試料に照射する電子線制御手段と、試料から発生した電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を作成する演算装置と、前記試料像を表示する表示手段と、前記表示された試料像を記録する手段と、を備えた電子顕微鏡において、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリは一体成型され、前記試料を試料室の真空から遮蔽し、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体を供給する供給装置と、
    前記気体又は液体を回収する回収装置を有し、
    前記気体又は液体を流しながら前記試料の試料像を取得し、
    前記キャピラリ内部に、前記試料を固定可能な試料固定部が配置され、前記試料固定部をキャピラリ内部で移動及び／又は回転が可能な駆動機構を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
22. 一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される電子線を集束し、試料に照射する電子線制御手段と、試料から発生した電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を作成する演算装置と、前記試料像を表示する表示手段と、前記表示された試料像を記録する手段と、を備えた電子顕微鏡において、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリは一体成型され、前記試料を試料室の真空から遮蔽し、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体を供給する供給装置と、
    前記気体又は液体を回収する回収装置を有し、
    前記気体又は液体を流しながら前記試料の試料像を取得し、
    前記キャピラリの電子線照射部が細くなっていることを特徴とする電子顕微鏡。
23. 一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される電子線を集束し、試料に照射する電子線制御手段と、試料から発生した電子を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を作成する演算装置と、前記試料像を表示する表示手段と、前記表示された試料像を記録する手段と、を備えた電子顕微鏡において、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体を供給する供給装置と、
    前記気体又は液体を回収する回収装置を有し、
    前記気体又は液体を流しながら前記試料の試料像を取得し、
    前記回収装置が、前記気体又は液体の質量分析が可能であることを特徴とする電子顕微鏡。
24. 電子顕微鏡に搭載され観察対象の試料を保持する試料保持装置であって、
    当該試料保持装置は電子線が透過可能なキャピラリを備え、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体が供給され、
    前記キャピラリの電子線照射部がカーボンコーティングされていることを特徴とする試料保持装置。
25. 電子顕微鏡に搭載され観察対象の試料を保持する試料保持装置であって、
    当該試料保持装置は電子線が透過可能なキャピラリを備え、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体が供給され、
    前記キャピラリの電子線透過部分以外が金属又は導電性樹脂で被覆されていることを特徴とする試料保持装置。
26. 電子顕微鏡に搭載され観察対象の試料を保持する試料保持装置であって、
    当該試料保持装置は電子線が透過可能なキャピラリを備え、
    前記試料は前記電子線が透過可能なキャピラリ内部に配置され、
    前記キャピラリは一体成型され、前記試料を試料室の真空から遮蔽し、
    前記キャピラリ内部に気体又は液体が供給され、
    前記キャピラリ内部に、前記試料を固定可能な試料固定部が配置され、前記試料固定部をキャピラリ内部で移動及び／又は回転が可能な駆動機構を備えることを特徴とする試料保持装置。
27. 試料がその内部に配置されるキャピラリと、
    前記キャピラリを保持する保持部と、を有し、
    前記キャピラリは電子線が透過可能であり、
    前記キャピラリは前記試料を電子顕微鏡の試料室の真空から遮蔽し、
    前記キャピラリには気体、及び液体の少なくとも１つが供給されることを特徴とする試料保持装置。
28. 請求項２７に記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリは前記保持部に対して取り外し可能であることを特徴とする試料保持装置。
29. 請求項２８に記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリの壁の一部は前記電子線を透過させ、
    前記壁はカーボンでコーティングされていることを特徴とする試料保持装置。
30. 請求項２９に記載の試料保持装置において、
    前記一部以外の部分は金属又は導電性樹脂で被覆されていることを特徴とする試料保持装置。
31. 請求項３０に記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリは前記保持部の内部にあり、
    前記キャピラリはＵ字状の部分を有することを特徴とする試料保持装置。
32. 請求項２７に記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリの壁の一部は前記前記線を透過させ、
    前記壁はカーボンでコーティングされていることを特徴とする試料保持装置。
33. 請求項２７に記載の試料保持装置において、
    前記一部以外の部分は金属又は導電性樹脂で被覆されていることを特徴とする試料保持装置。
34. 請求項２７に記載の試料保持装置において、
    前記キャピラリは前記保持部の内部にあり、
    前記キャピラリはＵ字状の部分を有することを特徴とする試料保持装置。