二次元電子検出器を使った位相コントラスト走査型透過電子顕微鏡. Phase Plate STEM Imaging Using Two Dimensional Electron Detector
高分解STEM（走査型透過電子顕微鏡）観察における像コントラストの主因は、位相コントラスト (Phase contrast)です。非常に薄い試料では、透過して散乱された電子線は位相のズレを生じます。散乱されずに透過した電子線との干渉によって「（位相）コントラスト」を生じます。位相コントラストを得るには、検出器の角度を十分小さくする必要がありますが、低加速STEMでは一般に検出器の角度が大きくなり、位相コントラストを得るのは難しい。
箕田研究室は、薄い炭素の層でできた、位相の差異を作る素子（フェーズプレート=PP）の厚みを調整して、電子波の位相を90度ずらすようにしました。このように位相をずらすことで、さらにコントラストが高くなり、見やすい画像が得られるようになります。
電子顕微鏡で再現するときに生じる問題で、電子顕微鏡のSTEMには、空間的頻度が小さいほうが拡張されるため、穴は小さいほうが有利だという大きな欠点がこれまでにありました。先行研究では、二次元電子検出器や、その組み合わせが報告されてきていましたが、箕田研究室では二次元電子検出器をZernike位相板として当てはめてみました。
従来のSTEM画像（左図）と比較して、Zernike位相板をあてはめたPPはコントラストが高く見やすい画像（右図）が得られています。
本研究により、電子顕微鏡のコントラストが向上し、画像が見やすくなり、生体材料等の関連研究が進みやすくなると期待されています。
The main cause of image contrast in high-resolution STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) observation is phase contrast. In a very thin sample, the transmitted and scattered electron beams produce a phase shift. The interference with the transmitted electrons that are not scattered produces a “phase contrast”. In order to obtain phase contrast, the detector angle must be sufficiently small, but in low-voltage STEM, the detector angle is generally large, making it difficult to obtain phase contrast.
Prof. Minoda’s Research Group adjusts the thickness of the carbon film to provide a “phase” shift to the electron wave, which enhances phase contrasts and makes images clearer.
In order to reconstruct the phase distribution of the phase objects, a smaller hole is better because structural information with lower spatial frequency can be enhanced. Using the PP with a smaller hole reduces the total signals and this is undesirable to visualize beam sensitive samples. Recently, a 2D detector and 2D detector with a pre-specimen PP were reported. Minoda Research Group applied the 2D detector to Zernike type PP.
The figure shows that Zernike type PP gained the highest contrast (Left Image) and the clearest STEM image among the others. The figure also means that the Zernike can be applied to PP. This study will improve the images of STEM and let us observe the small things more clearly.
文責：Prepared by M. R. (2nd year undergraduate student)
【用語】
・Zernike：その名は位相差顕微鏡の発明によって1953年にノーベル物理学賞を受賞した光物理学者フリッツ・ゼルニケに由来している。
・フェーズプレートSTEM（P-STEM～位相差走査型透過電子顕微鏡）Phase Plate STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy, P-STEM): 箕田研究グループが開発した、生体材料の高コントラスト画像を得るための手法 doi.org/10.11410/kenbikyo.51.2_130 A method which has been developed by Minoda research group, for obtaining high-contrast images for biological materials.
From :
Misaki Tsubouchi & Hiroki Minoda, Microscopy and Microanalysis (2019). doi.org/10.1017/S1431927619001156 (Microscopy Society of America 2019)