高分解能TEMで原子の撮影に挑戦

さて,ローレンツTEMで調子に乗った私が,TEMのピント合わせの究極,高分解能TEMで限界の解像度,原子配列・格子像の観察に挑戦します.

最初に白状すると,今のところ,リアルタイムに原子配列を観察できません.条件をそろえて,フィルムに撮影してみて初めてわかるといった感じです.ピントのコツをつかんだ後,一番最初に高分解能TEMに挑戦したとき,フィルムに10枚撮って1枚だけに原子配列らしきものがほんの一部に映っていました(下の写真).それを踏まえて,少し手順を修正して,割と簡単にピントが合ったかなと思っていたら,アモルファスしか見えず,格子像は見ることができませんでした.場所が悪かったんでしょうか・・・.まだまだ確率は悪いですが,高倍率でのピント合わせはできるようになったと思うので,その手順を報告したいと思います.

↓ 初めての高分解能TEM像
中央付近に斜めに線が等間隔で並んでいるのが見えますか?
原子配列(構造像)というよりは,格子像だと思います.
高分解能TEM像としては,はっきり言ってレベルが低いと思いますが,ここからレベルアップを目指します!

注意
ここから は,
私 がフィリプス社TECNAI30 LorentzというTEMを実際に使ってみて,うまくいった手順の記録になります.もしかしたら嘘や必要のないことだったり,他社製の TEMではまた違った操作になるかもしれません.もしも,この記事を参考にされる 場合は自己責任でお願いいたします.

高分解能TEMのピント合わせの手順

1,場所の選定(低倍率時)

とにかく薄そうな所を選びます.薄いと電子線をよく透過しますので明るくなります.回折像をみたときに菊池線がでていれば,まずその場所の高分解能TEMは無理だそうです.私見としては,1万倍くらいで見たとき,試料の形がギザギザよりもなだらかなほうが条件がいいのかなという感じがしますが,経験不足なので何とも言えません.これについては,別な記事で検討してみたいと思います.

2,試料の角度を調整し,適切に対物絞りを入れる

回折像モードにして試料の角度を調節します.ここは,期待する高分解能像によって異なってくると思いますが,とりあえず晶帯軸に合わせることが多いかと思います.角度が調整できたら,少なくとも2つの回折スポットが対物絞りに入るようにします.これも,期待する像によって異なってくると思うので詳しくはいえません.対物絞りをいれたら,絞りの中心が光軸の中心と一致するようにします.

この項目は,場所が変わったり光軸を調整したときにずれる可能性があるので,何度かチェックが必要です.

3,10万倍のオーダーまでピント合わせ

10万倍くらいまでは,ローレンツTEMのピント合わせと同様の手法で合わせられると思います.

4,高倍率でのピント合わせと対物非点補正(CCDカメラ使用)

10万倍を超えると,像が暗くなり,コントラストがわかりづらく,蛍光板ではピント合わせ・非点補正が困難になってきます.ここでTEMに付属しているCCDカメラを利用します.これまで,CCDカメラはコントラストが強く出すぎ,画素数も少なくて,記録用としてはいまいちと感じていたのですが,高倍率における低コントラスト問題を解決してくれることに気付きました.さらにCCDでは画像と同時にFFTフィルタをかけた像をみることができます.FFT像により,非点補正とピント合わせを同時に行うことができます.(初めてCCDのありがたみを感じた瞬間です!)

ピント合わせの場所ですが,アモルファス(非晶質)の場所で行うのが原則です.(鉄系の試料だと最薄部に酸化膜があり,そこがアモルファスになっているようです) ある程度ピント・非点が合ってる状態だと,FFT像は丸くなります.非点がでているとFFT像が楕円状になるので,対物非点を調整し,FFT像を真円に近づけます.非点がなくなったら,Focusで円が一番大きくなるように調節します.その状態がシェルツァー・フォーカスと呼ばれる分解能が最も高くなるフォーカスに近いそうです.

5,フィルムで撮影

蛍光板,CCDでは格子像を確認しにくいので,シェルツァー・フォーカスから -100nm ~ 100nmの範囲でフォーカスをずらして,フィルムで何枚か撮影し,現像後,スキャナーでとりこんで,格子像が写っているか確認します.

以上です.3,4はコツをつかめば割とあっさりなのですが,1,2が経験不足のせいで格子像を見られる確率が低いんだと思います.場所の選定と,適切な回折像,適切な対物絞りについて要勉強ですね.

あと,フィルムはCCDに比べて撮影範囲が広く,解像度も高いので,それに期待して数打ちゃ当たる方式でやってみましたが確率が悪すぎです.またフィルムを現像しないと格子像が写っているかどうかわからないというのも面倒なので,CCDカメラを使って格子像を得られるように挑戦したいです.サービスの人は実際にCCDで格子像を撮影できているわけですからね.

(つづく)

ローレンツTEMでピント合わせのコツをつかむ

ローレンツTEMでは,磁性材料の磁区構造を視覚的にとらえることができます.

ただ,通常のTEMで数万倍までの像が見れるようになった私ですが,ローレンツTEMはどうも苦手でした.ピントを合わせようとしてFocusを回すと像・ビームが大きく動いてしまい,ピント合わせが大変面倒くさかったのです.通常のTEMでは,きちんとアライメントをとっているのに,なぜ? と思っていました.

ローレンツTEMでは,磁性試料により(またはローレンツレンズのアライメントがおかしい?)ビームが大きく曲げられるせいか,コンデンサ絞りがセンタリングされていないことに気がつきました.アライメントを取った後はあまりいじらないほうがいいと思い込んでいたのですが,コンデンサ絞りがずれているということは,アライメントを取り直さないといけないので,覚悟を決めて,一から調整することにしました.

↓ コツをつかむ前のローレンツTEMの像.
蛍光板を撮影したものです.中央から右にかけて,析出物の列が見えるはずが,
ぼやけていて良く分かりません.磁壁の白黒の線も太すぎです.

ここから は,私 がフィリプス社TECNAI30 LorentzというTEMを実際に使ってみて,うまくいった手順の記録になります.もしかしたら嘘や必要のないことだったり,他社製のTEMでは全く違った操作になるかもしれません.もしも,この記事を参考にされる場合は自己責任でお願いいたします.

ローレンツTEMでピント合わせまでの手順

1.まず,通常のTEMで,見たい場所付近のスケッチを取っておく.

ローレンツにするとビームが飛んでしまって見えなくなったり,像の角度も変わったりするので,何もしてないと確実に迷子になります.まずは,見たい場所付近の地図を通常のTEMで観察して,記録しておくことをお勧めします.ただ,試料の角度がずれると,これまた像が大きくゆがみ,同じ場所なのにかなり違う像になることもあります.ですので,できるだけ大きな特徴をつかんでおくことが重要です.

2.ローレンツモードにして,像を探す.

ローレンツモードで嫌だったことは,上でも言いましたが,ローレンツモードに切り替えたときに,ビームが飛んでしまい,ほぼ確実にビーム・像が消えてしまうことでした.初めての頃は,なかなかビームを見つけられず,それだけでやる気がなくなってしまいました.気づけば簡単なことなのですが・・・

像を探すには,まず最低倍率にします.そしてビームを広げれば見つかるかもしれません.それでも見つからない場合は,ステージ移動させて探しますが,トラックボール・ジョイスティックは使わずに,ソフトウェアにある「座標を指定して移動」をします.ステージの移動範囲はx軸, y軸それぞれ -1.0mm ~1.0mmですが,まず,(500um, 500um)へ移動,次は(-500um, 500um) → (-500um, -500um) →(500um, -500um)→(500um, 500um) の順で一周させればどこかで見つかると思います.

事前に,対物絞り,制限視野絞りを除いておくことを忘れずに(これは実によくやる失敗です・・・)

3.見たい場所とビームを視野(蛍光板)の中央に移動させる

この項目は基本中の基本ですが,ローレンツモードではなぜか癖があります.通常のTEMではビームシフト・トラックボールとステージ移動トラックボールの2つで移動させます.ところが,ローレンツモードは,ビームシフトではビームが思ったように動きません.そこで,ガンシフトでビームを移動させています.(なんか光軸がずれそうで怖い気がしますけど,それしか方法がありません.)

次にステージ移動ではトラックボールで動くことは動くのですが,通常のTEMとはなぜか違う方向に動き,最初かなり混乱しました.慣れればいいだけの話ですけどね.

4.倍率を少し上げて,ビームのコンデンサ絞りを調整する

ここで,ビームの広がり方をチェックします.おそらく楕円状になったり,ビームの中心が移動したりします.

ビームを広げたときに,ビームの中心が移動する場合は,コンデンサ絞りを調整します.ビームを一番絞ったときの位置Pを覚えて,ビームを広げたときのビームの中央をPに一致させるように,コンデンサ絞りの位置を調整します.

ビームを絞ったときに楕円状になる場合はコンデンサ非点を調整します.ビームを広げたときに楕円状になる場合は対物非点が出てると思います.ピントを調整して像が一方に流れて見えるようであれば,対物非点を調整します.

あと,磁性材料の場合,試料がない所と,ある所ではビームの広がり方が異なってきます.最初試料のないところでビームを調整して,試料の上にビームを移動させたとき,ビームがゆがむようであれば適宜ビームの調整をします.

これだけでも,像質は大分良くなると思います.

これ以降は,直接光軸関連のアライメントをいじっていきます.ソフトウェア上のダイレクト・アライメントの項目を順番に実行していきます.

5.ガン・ティルトを調整して,ビームが一番明るくなるようにする.

ビームが明るいことはいいことです.カメラの露出時間の数値や,目視でビームが一番明るくなるように調整します.

6.Beam Tilt Pivot Point X, Y を調整する

ビームが揺れるので,揺れが最小になるように調整します.

7.Coma-free Pivot Point X, Y を調整する

これもビームが揺れるので,揺れが最小になるように調整します.

8.Coma-free Alignment X, Y を調整する

2つの像が交互に表示されるので,2つの像のフォーカス具合が同じになるように調整します.

9.ローテーションセンター(電流軸)を調整する

像が動くので,動きが最小になるように調整します.
この段階で,ピントを調整し,像が流れるようであれば対物非点があるので調整します.

ここで,解像度に満足できなければ,4に戻り,倍率を上げてチェックしてみます.4でコンデンサ絞りを調整したら,また光軸がずれると思うので,5~9の光軸調整を行う必要があります.4~9を繰り返すことで,像質が向上していくと考えています.

私の場合,上記の手順で,下図のように金属の転位の細い線が線として認識できるくらいまで解像度が向上しました.これでローレンツTEMにおける当面の技術課題はクリアできました.

↓ ローレンツTEMにおける最高の解像度の写真
析出物(下)の形がはっきり分かり,100nm~200nmほどの転位が線として認識できる

さて,ローレンツTEMで苦労した甲斐があり,TEMの光軸を積極的に調整していくコツをつかむことができました.おかげで通常のTEMの明視野象の解像度も向上し,高分解能TEMで原子配列を観察できる解像度まであげられそうな気がしてきました.

次回は,高分解能TEMについて書いてみようと思います.

(つづく)

TEMのピント合わせ はじめに

私は,TEMのほかにSEM(走査型電子顕微鏡)も経験があるのですが,SEMと比較すると,TEMのピント合わせは格段に難しいです.

SEMのピント合わせに必要なのは,ある程度コントラストが調整できている場合,Focusと非点のつまみだけですが,TEMではさらに光軸の調整が加わってきます.

さらにTEMではコントラストが乏しく,非点がでたときの像の流れがわかりづらいです.試料の中の適切な位置(アモルファスパターンなど)を見つけ,Focusをわざとずらしたり,ビームの大きさを変えながら,像の流れ,コントラストのバランスを見ながら非点を調整していきます.

最近のTEM修行で,ローレンツTEMをやっているうちにピント調整と非点除去のコツが見えてきましたので,何回かに分けて報告したいと思います.(最終的に高分解能TEMでのピント合わせまでいければいいですが,果たしてうまくいくでしょうか?)

なお,我々のTEMは,フィリプス社 TECNAI30 Lorentzです.他のTEMを全く知らないので,操作を説明する際,TECNAIで用いられる用語をそのまま用いるので,他の会社のTEMの参考にならないかもしれません.

また試料は鉄系の強磁性材料がメインになります.

(つづく)

あなたは一体、何モノなの?

皆さんは他人である個人を識別するとき、どのようにしていますか?
知り合いならば恐らく「顔」を見れば、その人が誰だか分かりますよね。
もしかしたら「声」を聞くだけでも分かるかも知れません。
実は物質にも「顔」があります。
『はぁ? どこに?』

まぁ残念ながら、肉眼で見るにはチョット厳しい大きさですが・・・。
でも「ある道具」を使うと見られるんです。それが「X線回折装置」です。
では早速、その「顔」を見てみましょう。

『ダマされた・・・・、ただのグラフか・・・・・(怒)。』
おっしゃるとおり、ただの「グラフ」ですが、実はこれが物質の「顔」なのです。
しかも、左側の方は彫りのはっきりしたなかなかのナイス・ガイ(?)です。
『それじゃぁ~、どこが目で、鼻で、口なのよ~』と思った方は、まぁ冷静に。
もう一つ、右側の別の「顔」も見てみて下さい。
こちらはまた特徴的な「顔立ち」です。もしかしたら「ハーフ」か「クウォーター」かも。

これら二つの「顔(=グラフ)」の山と谷を比べてみると、皆さんも気づいたでしょう?
そう、この二つの物質が全くの「別人」であることに。
『まぁ、別な人だとは分かったけど、それじゃぁ、一体誰なのさ?・・・・』
確かにそこまで知りたいというのが人情ですよね。

もともと知り合いの人同士ならば、顔を見れば誰だか分かるし、その人の名前も知っているのが普通です。では、全くの見ず知らずの人だったらどうでしょうか?
初めて会った人だったとしたら、何の手がかりもないですよね。
もちろん名前なんて分かるはずもありません。

<チョット、break time>

最近、テレビでは「刑事ドラマ」が盛んに放送されていますね。
それにしても「イケメン刑事」ばかり・・・・(苦笑)。
刑事さん達は毎日、凶悪犯との攻防を繰り広げています。
その刑事さん達にとっても、必死に追いかけている犯人は見ず知らずの人です。相手が日本人なのかどうかすら分かりません。だから参考となる情報が是非とも欲しいわけです。
「プロファイリング」って言葉を皆さんは耳にされたことはありますでしょうか?
警察には過去に発生した事件のデータが蓄積されています。今まさに追跡すべき犯人が関わっている事件の特徴をこのデータベースと照合することによって、「犯人像」を導き出すという手法です。行動範囲、職業、年齢層、性別などなど、「顔」を知られていない犯人の姿を何となく浮かび上がらせることが出来ます。これを絞り込んで行くとやがて犯人の名前が分かり、そして「顔写真」が入手できることもあるでしょう。

<Now, time up>

「X線回折装置」には10万件の物質データが蓄積されています。
しかも全部「顔写真」付き。
『いゃ~、これで助かった。百人力だな。』
では早速、先の二つの物質の「顔」をデータ照合してみましょう。

すると、一人目は「Si(シリコン)」さん。

そして、二人目は「Al2O3(酸化アルミニウム)」さんだと判明。
(両者とも、赤色の「顔データ」に緑色の「蓄積データ」がピッタリと一致しています。)

『いやいや全く、手こずらせやがって・・・・。ついに正体を曝いたぞ(満足)。』
めでたし、めでたし。

でも実はこんなに上手く正体を突き止められるのは、珍しいこと。
現実の物質には様々な不純物が知らず知らずのうちに混ざり込んでいることが多いのです。
従って、『右から見ると「Aさん」なんだけど、左ナナメ下から見ると「Bさん」なんだよなぁ~』というケースに泣かされることもしばしばあります。

岩手大学にはこういうことができる最新の装置がありますよ。
皆さんも、物質の「顔」を一度、見てみませんか?

(著:材料機能技術分野メンバー)

電子顕微鏡(TEM) 試料作りから観察まで

私が扱うのは,透過型電子顕微鏡(TEM:テム)と呼ばれるもので,最初は何も知らなかったため,TEMを管理してくれと言われた時は,なんか面白そうぐらいにしか考えていなかったんですが,時がたつに従って,何やら大変そうな雰囲気が・・・.最初の1年は必死だったな~.

面白そうなので,試料作りから観察までの手順を簡単に書いてみようと思います.一体いくつ手順があるかな?

ちなみに私の場合,試料は金属材料専門になりますので,それ以外(生物系試料等)の場合は参考にならないと思います.

手順   (括弧内の数値は難易度 1:容易~5:難関)

  1. 直径3mm 厚さ1mm以下の試料を切り出す(2)
  2. 機械研磨により,50μmの厚さまで,両面を鏡面に研磨する(
    最初はここでつまづきます.研磨しすぎて試料を消滅させる学生も!
  3. 電解研磨により,試料の一部をさらに薄く(数10nmのオーダー以下)まで薄くし,電子線が透過する厚さにします(
    折角2をクリアしても,3を失敗するとすべて無駄.腐食させて使い物にならないことも・・・
    ある程度慣れてきても,成功率は1/3.学生には厳しい試練です.
  4. ここからTEMの操作です.まずスタートアップさせます.(2)
    補器が多いので,チェックしながら行います.電源,水,CCD,MOドライブ,TEM本体,PCの順でOnにしていきます.
  5. TEMのソフトウェアを立ち上げる(2)
  6. 真空をOnにして,真空度が高くなるまで待ちます
    0からスタートだと半日待ち.スタンバイ状態からだと1時間待ちくらい
    あと,TEM起動中は常に温度と湿度に気を使います.温度が20度を超えると
    真空度が悪くなるので,観察できません.冬はストーブも付けられず,修行の場と化します
  7. 電子線を発生させるため電圧を300kVまで上げます (
    急いで電圧を上げると鏡筒内で「カツッ」と恐怖の音がなって放電が起き,真空ごと落ちてしまいます.6 からやり直しです.ともかく電圧が高いほどゆっくり上げることです.
  8. 電子線を発生させるフィラメントに電流を流す(1)
    2分くらいまちます.
  9. 試料をホルダに入れる(3)
    すごく小さく軽い試料なので,ちょっとしたことで,ふっとんだり,折れ曲がったりします.苦労して作った試料を無駄にしないために細心の注意(冬は静電気にも注意)を払いながらピンセットでつまみ,ホルダへ正確に載せます.もちろんホルダの先端部,試料を素手で触ることは厳禁です.
  10. ホルダをTEMに挿入(3)
    慎重に挿入しないと,真空が落ちて6からやり直しになります.
  11. バルブを開いて電子線を出す(1)
    ここで初めて像が見えるようになります
  12. 光軸のアライメントを行う(3)
    高倍率(数万倍以上)できれいな像をとるとき必須です
  13. ステージを動かして,試料を見つける(2)
    初めての人は試料(の薄い部分)を見つけるのに一苦労します.
  14. 試料の高さを合わせ,ピントを合わせます(2)
  15. ここからはTEMの一般的な明視野像をとる場合の手順です.まず回折像モードします.(1)
    この辺から説明がさらに専門的になりますが,かまわずに進めます.
  16. ステージの角度を調整して,回折像の2点が明るく光っている状態(2波回折条件)に合わせます(3)
  17. 明るい2点のうち透過波のみが見えるように対物絞りを入れます.(1)
  18. 回折像モードを解除すると,試料の組織に従ったコントラストが現れます.
    対物絞りを入れないと,コントラストがないもやっとした像になります.
  19. 非点をとる(?)()
    あまり高倍率の写真をとらないので私はあまり経験がありません.
    超難関で要修行の項目です.
  20. 電流軸中心を合わせる(2)
    光軸がしっかりとまっすぐになるように調整します.指示に従って操作するだけです.
  21. 写真を撮る(
    CCD,フィルムのどちらかを使いますが,一長一短があり,なかなか面倒です.

ざっくり説明しても21項目ありました!難易度の4,5のところをもっと詳しく説明すれば,内容がさらに倍くらいに増えそうです.明視野像で取れる像が以前紹介したこの図です.あと,原子配列を見たいと思ったら,16~19が全然変わってきます.

現在の課題は数万倍でのピント合わせがいまいちなことです.ピント合わせがうまくいったら,また報告したいと思います.