JP2021162589A - 低温電子顕微鏡法における温度監視の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温電子顕微鏡法における温度監視の方法を提供する。【解決手段】低温電子顕微鏡法のサンプルの温度が、高温超伝導体（ＨＴＳＣ）領域、またはサンプルに熱的に結合されているか、もしくは熱的に近接している他の熱センサー材料に関連する画像部分に基づいて評価される。このような熱領域は、金属グリッド、炭素膜などのサンプル台、またはサンプルステージ上に提供することができる。ＨＴＳＣを使用する例では、通常−１７５℃〜−１３５℃の臨界温度を有するＨＴＳＣが使用される。【選択図】図１

Description

本開示は、低温電子顕微鏡法におけるサンプル温度の評価に関する。

低温電子トモグラフィー（低温−ＥＴ）は、すべての細胞成分が埋め込まれたアモルファス（ガラス状）層に細胞水を捕捉する凍結技術に基づく。このプロセスはガラス化として知られる。サンプルは、失透や劣化を避けるために、通常、約−１３５℃未満の温度で保持する必要があるが、ほとんどの場合、許容誤差を提供するために−１５０℃未満の温度が好ましい。多くの場合、そのような小さなサンプルの温度を評価することは困難であり、それらが低温で適切に維持されていたかどうかを判断することは困難である。これは、サンプルを電子顕微鏡基板ステージに載置した後は特に困難である。サンプルが低温で適切に維持されていない場合、サンプルはもはや元の構造を示さなくなる。場合によっては、サンプルを処理するために大量の機器時間を要したのに、後でサンプルが適切な温度に適切に維持されていなかったことがわかることがある。このため、電子顕微鏡法で試料温度を決定、評価、および査定するための改善された方法およびアプローチが役立つであろう。

方法は、熱センサーをサンプルに熱的に近接させて配置し、熱センサーの少なくとも一部を画像化し、画像の明るさまたは熱センサーに関連する電流に基づいてサンプルの温度を評価することを含む。いくつかの例によれば、熱センサーは超伝導体材料であり、サンプルの温度を評価することは、サンプルが超伝導体材料に関連する臨界温度よりも低いまたは高い温度にあるかどうかを決定することを含む。典型的な例では、熱センサーはサンプルホルダー上に配置され、サンプルホルダーは、金属グリッドおよび有孔炭素膜のうちの少なくとも１つを含む。サンプルホルダーは導電性の周囲リングを含むことができ、熱センサーは導電性の周囲リング上に配置することができる。熱センサーの明るさは、熱センサーを電子ビームなどの荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）に曝露することによって決定することができる。代表的な例では、荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）への熱センサーの少なくとも一部の曝露に基づいて、被曝した部分のＣＰＢ画像が形成され、温度センサーに関連する温度は、ＣＰＢ画像における熱センサーの明るさに基づいて決定される。場合によっては、熱センサーはサンプルと接触しているか、サンプル内にある。

ＣＰＢ顕微鏡法用のサンプルホルダーは、サンプルを保持するためのサンプル領域を画定するサンプル支持体と、サンプル領域に熱的に近接して配置された少なくとも１つの温度センサーとを含む。いくつかの例では、サンプル支持体は炭素膜であり、温度センサーは炭素膜に接触するか、または炭素膜に熱的に結合される。サンプルホルダーは、炭素膜と接触する金属グリッドを含むことができ、温度センサーは、金属グリッドと接触するか、または金属グリッドに熱的に結合される。サンプルホルダーはまた、サンプル領域を画定するサンプル支持体の少なくとも一部の周りに配置された導電性リングを含むことができ、温度センサーは、周囲リングに接触するか、または熱的に結合される。熱センサーは、−１３５℃〜−１７５℃の臨界温度を有する高温超伝導体（ＨＴＳＣ）、またはサンプル支持体に固定されるか、もしくはサンプル支持体と接触した熱センサー材料の複数の粒子とすることができる。

ＣＰＢシステムは、サンプル位置にサンプルホルダーを保持するように動作可能なサンプルステージと、サンプル位置に熱的に近接して配置された熱センサーとを含み、熱センサーは、サンプル位置に関連する温度に基づいて熱応答信号を生成するように構成される。プロセッサは熱センサーに結合されており、熱応答信号に基づいてサンプルホルダーの温度を示すように動作可能である。システムは、例えば、ルックアップテーブルとして、温度の関数としての熱応答信号の較正をそこに記憶した少なくとも１つのコンピュータ可読媒体を含むことができる。いくつかの例では、熱応答信号は、ＣＰＢ画像の画像明るさ、抵抗、抵抗率、またはＣＰＢ曝露に応答する電流のうちの１つである。いくつかの例によれば、熱センサーは、サンプルホルダーに固定されているか、またはサンプルホルダーと接触している。典型的な例では、熱センサーの画像の明るさを使用して、サンプルホルダーの温度またはサンプルの温度を推定する。

低温電子顕微鏡法でサンプル温度を評価する方法は、ガラス化されたサンプルと熱接触する熱センサーを配置し、電子ビームを熱センサーに向け、電子ビームに応答する熱センサーに関連する後方散乱電子（ＢＳＥ）または二次電子（ＳＥ）を検出することを含む。熱センサーの少なくとも一部の画像は、検出されたＳＥまたはＢＳＥに基づいて生成され、ガラス化されたサンプルの温度は、画像部分に基づいて決定される。

開示された技術の前述および他の目的、特徴、および利点は、添付図を参照して進められる、以下の詳細な説明により明らかになるであろう。

温度センサーとして構成された高温超伝導体（ＨＴＳＣ）を含む代表的な荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）システムを示す。 いくつかの代表的なＨＴＳＣの温度の関数としての代表的なＣＰＢ画像の明るさを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルホルダーを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルホルダーを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルホルダーを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルホルダーを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルホルダーを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルホルダーを示す。 別の代表的なサンプルホルダーおよび関連する温度センサーを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルステージを示す。 ＨＴＳＣパッチを含む代表的なサンプルステージを示す。 ＨＴＳＣパッチを使用してサンプル温度を評価する代表的な方法を示す。 ＨＴＳＣカバー領域を含む代表的なサンプルホルダーを示す。 ＨＴＳＣカバー領域を含む代表的なサンプルステージを示す。 開示された方法を実行するための代表的なコンピューティング環境を示す。 代表的なサンプルホルダーを示す。 代表的なサンプルホルダーを示す。 代表的な較正方法を示す。

以下に説明する例では、いわゆる高温超伝導体（ＨＴＳＣ）が使用されるのは、高温超電導体が、通常の導体状態から超伝導体状態への変化に関連して、臨界温度またはその近くで抵抗率の急激な変化を示すからである。ＨＴＳＣは、低温超伝導体（ＬＴＳＣ）の臨界温度よりも低温電子顕微鏡法の通常のサンプル温度により近い範囲の臨界温度を有することができるため、本明細書に開示される用途において便利である。ただし、ＬＴＳＣおよびその他の材料は、以下のいくつかの例に示さるように使用することもできる。温度に依存する可変の電子顕微鏡明るさを有する任意の材料を熱センサーとして使用することができる。

画像部分の明るさは、概して、電子ビームへの曝露に応答して検出された二次電子または検出された後方散乱電子に関連している。典型的な熱センサー材料（ＨＴＳＣなど）の場合、代表的なＨＴＳＣでは、図２に示すように、熱センサー材料は、導電性が高いと明るさが低くなり、導電性が低いと明るさが高くなる。

温度の関数として材料画像の明るさを確立することにより、サンプルと熱接触するか、またはその近くに配置された材料を使用して、サンプル温度を評価することができる。ＬＴＳＣおよびＨＴＳＣで利用できるような大きな変化は、特定の温度範囲においてこれらが提示することができる画像の明るさの変化が大きいため、便利である可能性がある。画像の明るさは、あらゆる種類のＣＰＢ（多くの場合電子ビーム）または可視光線、赤外線（ＩＲ）、遠赤外線、紫外線（ＵＶ）、極ＵＶ、Ｘ線、ガンマ線放射、もしくは他の放射などの電磁放射に対する材料の応答に基づくことができる。いくつかの例では、応答スペクトルまたは応答スペクトルの１つ以上の波長を使用して、温度を評価することができる。このような例では、スペクトルの変化は温度変化を示しており、特定のスペクトルを較正して、スペクトルに基づいた温度推定を可能にすることができる。

本明細書で使用される場合、臨界温度Ｔ_Ｃは、導体／超伝導体遷移に関連する温度を指し、Ｔ＊は、材料の導電率が温度の関数として非線形変化を示す温度を指す。ＹＢＣＯなどのＨＴＳＣの場合、このような非線形変化は、従来のＨＴＳＣ臨界温度Ｔ_Ｃより十分に高い温度Ｔ＊において生じる可能性がある。したがって、これらの温度は両方とも導電率の変化に関連しており、場合によっては、二次放出収率の変化に関連している。ＨＴＳＣのこれらの特性は、以下で詳細に説明するように、電子顕微鏡法で試料温度を評価するために使用することができる。ただし、導電率が温度の非線形関数であるＬＴＳＣまたは他の材料など、他の材料を使用することもでき、ＨＴＳＣは単に便利な例である。抵抗率の線形または他の変化を示す他の材料も使用することができる。ＨＴＳＣおよびＬＴＳＣは、導体−超伝導体遷移に関連する臨界温度において大きな変化を示す。徐々にまたは線形に変化する材料などの他の材料の場合、抵抗、抵抗率、画像の明るさ、または他の材料依存特性の測定値を使用して温度を評価することができるように、較正を実行することができる。

例は、概して、電子顕微鏡法に言及しているが、他の荷電粒子ビームシステムも同様に配列することができる。さらに、開示されたシステム、方法、および装置は、透過型電子顕微鏡法、走査型電子顕微鏡法、イオンビーム顕微鏡法、および他のＣＰＢシステム、ならびに光学顕微鏡法、共焦点顕微鏡法、レーザーもしくは他の光源を使用する蛍光顕微鏡法、Ｘ線イメージングシステム、または他のタイプの電磁放射を使用するシステムにおいて使用することができる。ＨＴＳＣ温度センサーを参照していくつかの例を説明するが、これは便宜上の説明であり、他のセンサー材料を使用することができる。

ＨＴＳＣまたは他の熱センサー材料の一部（線形もしくは非線形の抵抗率または温度の関数である他の特性を有するかどうかにかかわらず）は、その部分の温度の評価がサンプル温度の推定を可能にするように配置される。サンプルおよびセンサー材料部分は、１つ以上の異なる材料または構成要素を介して結合されているかどうかにかかわらず、サンプルとセンサー材料部分との間に熱伝導経路がある場合、熱的に結合していると呼ばれる。サンプルおよびセンサー材料の温度が相関して、センサー材料部分の温度に基づいてサンプル温度を評価できる場合、サンプルおよびセンサー材料は熱的に近接していると呼ばれる。通常、センサー材料部分は熱的および物理的に近接しており、便宜上熱的に結合されている。１５Ｋ〜３００Ｋ以上またはそれ以下の範囲の温度を推定することができる。

実施例１
図１を参照すると、代表的な電子顕微鏡システム１００は、先端１０６から電子を放出するように動作可能な電子エミッタ１０４を含む。集光レンズ１１０は、放出された電子から電子ビームを生成し、概して、軸１１９に沿って電子ビームを向けるように配置されている。ビーム偏向器１１１は、軸１１９に沿って配置され、サンプルＳに対して電子ビームを選択的に偏向または走査し、偏向されたビーム１３０を生成することができる。サンプルＳは、サンプルＳの並進および傾斜調整を可能にすることができるサンプルステージ１４０上に配置される。サンプルＳは、通常、ＨＴＳＣまたは他のセンサー材料から形成される感知領域１４２を含むことができるサンプルホルダー１４４上に固定または形成される。対物レンズ１３２は、電子ビームをサンプルＳから検出器１４６に向けるように配置されている。いくつかの例では、検出器１４８などの１つ以上の検出器は、概して１３０で示されるように、二次電子、Ｘ線、または他の荷電粒子もしくは電磁放射などの、電子ビームまたは電子ビームに応答する放射を検出するように配置される。

典型的な例では、サンプルホルダー１４４は、複数の円形の孔を有する、例えば、炭素の有孔支持膜を含む。これらの孔は、しばしば急速冷凍プロセスに必要である。凍結細胞、タンパク質、またはその他の関心のあるサンプルの層または個別の領域は、水などの凍結液体に埋め込まれた有孔支持膜上に配置される。電子顕微鏡などのＣＰＢシステムでは、帯電効果を低減するために、１つ以上の金属、炭素、またはその他の材料などの導体のコーティングが適用される。以下で詳細に説明するように、有孔炭素支持膜を金属グリッド上に配置することができる。

システムコントローラ１５０は、エミッタドライバ１５２、集光レンズコントローラ１５４、および対物レンズコントローラ１５６（通常、電圧または電流源）に結合されて、電子顕微鏡法の動作条件を確立する。システムコントローラ１５０はまた、電子ビーム偏向および走査を制御するためにビーム偏向器１１１に結合されている。システムコントローラ１５０は、検出器１４６、１４８にさらに結合され、検出器１４６、１４８から受信した信号に基づいて画像を生成することができる。電流計１６０は、感知領域１４２と、電流計１６０からの測定された電流に基づいて試料温度を評価するように動作可能なシステムコントローラ１５０とに結合されている。あるいは、電子ビーム画像または他のＣＰＢ画像における感知領域１４２の相対的な明るさは、システムコントローラ１５０によって、または表示画像を使用する機器のオペレータによって使用することができる。

いくつかの例では、１つ以上のレーザー、ＬＥＤ、または他の電磁放射源などの光放射源１７０が、サンプルＳを照射するように配置されている。Ｘ線源１７２も提供することができ、サンプルＳから戻った放射線は、荷電粒子または電磁放射分光計などの分光計１７４に向けることができる。いくつかの例では、システムは、Ｘ線光電子分光法またはラマン分光法用に構成されている。概して、検出器は、前方散乱荷電粒子および／または電磁放射、ならびに後方散乱荷電粒子および／または電磁放射を受信するように配置することができる。そのような追加のセンサー、ソース、および検出器は、概して、システムコントローラ１５０に結合されている。

図２を参照すると、温度の関数としての様々な感知領域の相対的な明るさが、様々なＧｄドーピングレベル備えたＨＴＳＣ ＹＢＣＯおよび従来の導体（Ｃｕ）について示されている。以下の表は、いくつかのＨＴＳＣと、いくつかの従来の低温超伝導体（ＬＴＳＣ）（斜体で表示）の一覧である。Ｔｃ未満の温度では、材料の抵抗率はゼロである。

他のＨＴＳＣには、一般にビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（ＢＳＳＣＣＯ）ファミリーが含まれる（上の表のＢｉ−２２２３を含む）。

上に列挙したいずれかのような材料は、スパッタリング、蒸発、電気めっき、化学蒸着、または他のプロセスのうちの１つ以上によって堆積させることができる。あるいは、そのような材料は、ストリップ、ディスク、粒子、または他の形状に形成され、必要に応じてサンプルに熱的に近接して固定または配置することができる。これらのようなＨＴＳＣ部分は、所定の位置に形成されているか、別個の部品として形成されているかにかかわらず、ＨＴＳＣ特性によってサンプル温度の推定が可能になるように、サンプルに熱的に結合されるように配置される。

実施例２
図１のシステムで使用するための代表的なサンプルホルダー９００が、図９Ａ〜図９Ｂに示されている。有孔炭素膜９０４は、サンプル９０３（１つ以上のセル９０２として示されている）を支持するように配置され、次に、金属グリッド９０６上に配置される。金属リング９０８は、金属グリッド９０６の周囲に結合されている。温度センサー材料９１０は、金属リング９０８またはその上に配置されているが、それ以外の場合は、以下で説明するように配置することができる。

実施例３
図３Ａを参照すると、代表的なサンプルホルダー３８０は、典型的には、多くの場合、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、または他の金属からなる導電性周囲リング３８４を備えて典型的に形成される導電性グリッド３８２を含む。グリッド線の間の領域は、複数の穴または孔を有する非晶質炭素膜などの薄膜を含むことができる。このような膜は、概して、「穴あき炭素膜」と呼ばれ、調査対象のサンプルは、通常は瞬間冷凍によって膜に固定することができる。温度センサー３８６は、周囲リング３８４上に配置され、追加のセンサーは、周囲リング３８４、導電性グリッド３８２、またはグリッド線の間の領域上に提供することができる。以下の実施例は、概して、温度センサーの構成に関するものであり、炭素膜のようなサンプル台の詳細は、説明の便宜上、省略されている場合がある。

実施例４
図３Ｂを参照すると、代表的なサンプルホルダー３０２は、サンプル載置領域３０６を含み、このサンプル載置領域３０６は、ＴＥＭ用途の場合、典型的には、電子ビーム透過を可能にする金属グリッドおよび薄膜を含む。サンプルホルダー３０２はまた、必要に応じて１つ以上の傾斜または並進のためにサンプルホルダー３０２をサンプルステージに固定するために使用することができる周囲領域３０８を含む。周囲領域３０８は、概して、サンプル載置領域３０６のように電子ビームに対して透過性である必要はないが、単一のグリッドまたは膜などの一体基板においてサンプル載置領域３０６および周囲領域３０８の両方を提供することが便利である可能性がある。透過アパーチャ３０４も同様に提供することができる。１つ以上の温度センサー３１０Ａ〜３１０Ｄは、周囲領域３０８に配置することができ、サンプル載置領域３０６に熱的に結合される。温度センサー３１０Ａ〜３１０Ｄは、関心のある温度またはその近くで抵抗率または他の特性の変化を示す、同じまたは異なるＨＴＳＣまたは他の材料で形成することができる。多くの用途では、サンプルの失透を避けるためにサンプル温度を−１３５℃未満に維持する必要があり、安全なマージンを提供するために−１５０℃の目標温度が使用される。この温度範囲では、Ｂｉ−２２２３およびＴｉ−Ｂａ−Ｃｕ−酸化物ＨＴＳＣが便利な選択肢である。温度センサー３１０Ａ〜３１０Ｄは、図３Ｂにおいて特定の配列で配置されているが、より少ないまたはより多いセンサーの他の配列を使用することができる。いくつかの例では、単一の温度センサーのみが提供される。

ＳＥＭなどの用途では、サンプル台は、高い電子ビーム透過率を示す必要はなく、サンプル載置領域３０６および周囲領域３０８は、例えば、金属製載置ポストなどの載置ポストの表面上に画定することができる。次に、センサーは、そのようなポストの側面または他の場所、ならびにサンプル載置面として機能することができる端面に提供することができる。

実施例５
図３Ｃを参照すると、代表的なサンプルホルダー３２２は、典型的には金属グリッドおよび薄膜を含むサンプル載置領域３２６を含む。サンプルホルダー３２２はまた、サンプルホルダー３２２をサンプルステージに固定するために使用することができる周囲領域３２８を含む。周囲領域３２８およびサンプル載置領域３２６は、単一のグリッドまたは膜などの一体基板の領域として提供することができる。温度センサー３３０は、周囲領域３０８に配置することができ、サンプル載置領域３２６に熱的に結合されている。この例では、温度センサー３３０は、サンプル載置領域３２６の周りに配置された環状リングである。

実施例６
図３Ｄに示される代替構成では、代表的なサンプルホルダー３４２は、サンプルホルダー３４２をサンプルステージに固定するために使用することができる周囲領域３４８内に配置されるサンプル載置領域３４６を含む。周囲領域３４８およびサンプル載置領域３４６は、一体基板の領域として提供することができる。環状センサー３５０、３５２は、サンプル載置領域３４６の周りに配置され、異なる臨界温度を有するＨＴＳＣなどの異なるセンサー材料から作製することができる。追加の環状センサー（または他の形状のセンサー）を、周囲領域３４８の周囲もしくはその近く、またはサンプル載置領域３４６上のサンプル位置の近くに提供および配置することができる。

実施例７
図３Ｅに示される別の代替構成では、代表的なサンプルホルダー３５２は、サンプルホルダー３５２をサンプルステージに固定するために使用することができる周囲領域３５８内に配置されるサンプル載置領域３５６を含む。周囲領域３５８およびサンプル載置領域３５６は、一体基板の領域として提供することができる。サンプル載置領域３５６の周りの環状領域は、異なる臨界温度を有するＨＴＳＣまたは異なる温度応答を有する他の材料であり得るセンサー３６０Ａ、３６０Ｂを含む。

実施例８
図３Ｆを参照すると、サンプルホルダー３９０は、導電性グリッド３９３、炭素または他の膜３９４、および導電性周囲リング３９２を含む。センサー３９６は、膜３９４および導電性グリッド３９３の一部に配置されている。

実施例９
図３Ｇを参照すると、サンプルホルダー３７０は、導電性グリッド３７２、炭素または他の膜３７４、および導電性周囲リング３７６を含む。膜３７４およびグリッド３７２上に画定されたセンサー領域３７８は、１つ以上のセンサー粒子３７１を含む。代表的なサンプルセル３７５は、膜３７４上に配置され、代表的なサンプルセル３７７は、セル３７７内に温度センサー粒子３７９を含み、温度センサー粒子３７９は、例えば、セルが温度センサー粒子３７９を取り込むことを可能にすることによって、セルの中に配置される。

実施例１０
図４Ａを参照すると、基板ステージ４０２は、載置面４０６上に画定されたサンプルホルダー載置領域４０４を含む。典型的には、基板ステージ４０２は、１つ以上のクリップ、ねじ、または金属グリッドなどのサンプルホルダーを固定することができるファスナ４２８、４２９などの他のファスナを含む。基板ステージ４０２は、概して、画像取得および／またはイオンミリングなどのサンプル準備プロセス中にサンプルを並進および傾斜させることができるように配置されている。場合によっては、基板ステージ４０２の一部は、画像化またはサンプル準備のために傾斜可能であり、そのような部分は、４２１として概略的に示されている。冷却剤ポート４１６、４１８は、液体窒素（ＬＮ２）などの冷却剤の流れを可能にするために、基板ステージ４０２の周囲で冷却剤チューブ４１４などの冷却剤チャンバに流体的に結合されている。センサー４１０、４１２などの１つ以上のセンサーは、載置面４０６上に配置され、サンプル載置領域４０４に熱的に結合されている。ケーブル、ワイヤ、または導電層などの電気接続４２２は、基板ステージ４０２、サンプル載置領域４０４、およびセンサー４１０、４１２のうちの１つ以上への電気接続を提供することができる。電子ビーム透過アパーチャ４２０も同様に提供することができる。

実施例１１
図４Ｂに示される別の例では、基板ステージ４５２は、載置面４５６上に画定されたサンプルホルダー載置領域４５４を含む。典型的には、基板ステージ４５２は、サンプルホルダーを固定することができるが図４Ｂには示されていない１つ以上のファスナを含む。基板ステージ４５２は、概して、画像取得中にサンプルを並進および傾斜させることができるように配置され、傾斜可能な部分は、４７１で示されている。冷却剤ポート４６６、４６８は、液体窒素（ＬＮ２）などの冷却剤の流れを可能にするために、ステージ本体４７０に画定された冷却剤チューブまたはボアなどの冷却剤チャンバに流体的に結合されている。センサー４６２は、載置面４５６上に正方形、長方形、または円形の環として形成することができ、サンプル載置領域４５４に熱的に結合することができる。示されるように、センサー４６２は、傾斜可能部分４７１上に配置されている。必要に応じて、追加のセンサー４７３を固定部分に配置することができる。ケーブル、ワイヤ、または導電層などの電気接続４７２は、基板ステージ４５２およびサンプル載置領域４５４、ならびにセンサー４６０、４７３の一方または両方への電気接続を提供する。電子ビーム透過アパーチャ４６０も同様に提供することができる。

実施例１２
上記のようなセンサー領域に基づいて温度を評価する代表的な方法５００は、５０２でサンプルホルダーまたはサンプルステージ上のセンサー領域位置を識別すること、および５０４で識別された位置に関連する座標を記憶することを含む。５０６で、利用可能なセンサー領域の一部またはすべてが照射され、関連する電流が測定される。典型的には、電子ビームは、センサー領域に入射するように偏向されるか、または別様に形成され、センサー領域に、順次または同時に照射することができる。センサー領域に関連する画像または画像部分は、５０８で評価され、センサー領域に関連する検出された電流に基づいて相対的な明るさを決定する。いくつかの例では、単一のセンサー領域が使用され、センサー領域画像は、一部またはすべてのセンサー領域に対する単一のピクセルまたは複数のピクセルとすることができる。通常の視野内に位置付けられたセンサーの場合、センサー領域への電子ビームの偏向または転向は必要ない。５１０で、センサー領域の明るさを１つ以上の基準領域の明るさまたは較正値と比較するかどうかを決定することができる。そうである場合、５１４で、１つ以上の基準領域の明るさが決定され、これは、追加の電子ビームの転向または偏向を必要とする場合と必要としない場合がある。基準領域の明るさは、以前に記憶された値に基づくことができ、追加の測定は必要ない。５１６で、使用されるセンサー材料に関連する臨界温度に基づく温度より上または下など、サンプル温度または温度範囲を確認することができる。より一般的には、測定された明るさは、測定された明るさに基づく温度推定を可能にする較正曲線または較正データと比較することができる。例えば、センサー領域の温度を変化させ、関連する明るさを測定し、結果として得られる温度−明るさデータを使用してセンサー較正を確立することができる。いくつかの例では、較正曲線は測定データに適合しているため、較正曲線から温度を決定することができる。あるいは、測定データを補間手順とともに使用して、センサー温度を計算することもできる。他の例では、センサーにおける電流は、画像の表示または形成なしで測定することができる。

画像部分の明るさは後方散乱ＣＰＢ部分または二次放出を使用して決定することができるが、いくつかの例では、サンプルおよび／またはセンサー領域の画像が表示され、オペレータは１つ以上の表示画像を検査することによってサンプル温度を評価することができる。便宜上、１つ以上のピクセルの１つ以上の基準画像を、１つ以上の温度値に対応する明るさで表示することができる。次に、オペレータは、視覚的な比較によりサンプル温度を推定することができる。複数のセンサー材料が使用されている場合、画像検査により、さらにサンプルの温度または温度範囲を評価することができる。例えば、あるセンサー領域は、第１のＨＴＳＣの第１の臨界温度未満であることに関連する明るさを有することができるのに対し、別のセンサー領域は、第２の臨界温度を超える温度を示し、これにより、サンプル温度が第１と第２の臨界温度の間にあると評価することができる。

実施例１３
抵抗の線形、非線形、またはその他の変化を示すＨＴＳＣおよび他の材料を使用して、温度プロファイルを決定することができ、これにより、サンプルおよびステージの温度をさらに評価することができる。図６を参照すると、サンプルホルダー６０２は、センサー材料６０６によって囲まれたサンプル載置領域６０４を含む。電子ビームをセンサー材料６０６の様々な部分に向けることにより、サンプルホルダー６０２を横切る温度を評価することができる。場合によっては、サンプルホルダーの温度プロファイルを取得することができる。必要であれば、さまざまなサンプルステージ、さまざまな冷却剤、さまざまな冷却剤流量などの複数の冷却条件についての温度プロファイルを取得することができる。場合によっては、センサー材料をサンプル載置領域６０４に配置して（またはサンプルホルダー６０２の全表面にセンサー材料を設けることができ）、より多くの周辺のセンサーとサンプル領域６０２との間の温度オフセットの評価を可能にすることができる。このような温度プロファイルは、コンピュータ可読メモリに記憶することができる。前に述べたように、標準的な視野内のセンサー領域の場合、センサーの画像化または測定のために追加の電子ビーム偏向は必要ない。

図７を参照すると、サンプルステージ７００は、載置面７１０を実質的に覆う第１のセンサー７０６および第２のセンサー７０８によって囲まれたサンプルホルダー載置領域７０４を含む。冷却剤カップリング７１８、７２０は、図７に示されていない冷却チューブまたは空洞に結合されている。センサー７０６、７０８の取り調べは、載置面７１０を横切る温度の評価を可能にし、そのような評価は、冷却剤の流量または温度または他の変数などの冷却条件の関数として行うことができる。

実施例１４

図８および以下の考察は、開示された技術が実装され得る例示的なコンピューティング環境の簡潔で一般的な説明を提供することを意図している。必須ではないが、開示された技術は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって実行されるプログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令の一般的な文脈で記述される。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するまたは特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。さらに、開示された技術は、携帯デバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースまたはプログラム可能な消費者電子機器、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む他のコンピュータシステム構成で実装され得る。開示された技術はまた、タスクが、通信ネットワークを介してリンクされているリモート処理デバイスによって実行される、分散型コンピュータ環境においても実践され得る。分散型コンピュータ環境では、プログラムモジュールは、ローカルおよびリモートメモリ記憶デバイスの両方に位置することができる。

図８を参照すると、開示された技術を実装する例示的なシステムは、１つ以上の処理ユニット８０２、システムメモリ８０４、および、システムメモリ８０４を含む様々なシステムコンポーネントと１つ以上の処理ユニット８０２を結合する、システムバス８０６を含む、例示的な従来のＰＣ８００の形態である、汎用コンピューティングデバイスを含む。システムバス８０６は、様々なバスアーキテクチャのうちの任意のものを使用する、メモリバスまたはメモリコントローラ、周辺バス、およびローカルバスを含む数種のバス構造のうちのいずれかであってもよい。例示的なシステムメモリ８０４は、読取専用メモリ（ＲＯＭ）８０８およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８１０を含む。ＲＯＭ８０８には、ＰＣ８００内の要素間の情報の転送を助ける基本ルーチンを包有する基本入出力システム（ＢＩＯＳ）８１２が格納されている。

例示的なＰＣ８００は、さらに、ハードディスクから読み書きするためのハードディスクドライブ、取り外し可能な磁気ディスクから読み書きするための磁気ディスクドライブ、および取り外し可能な光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭや他の光媒体など）から読み書きするための光ディスクドライブなどの１つ以上の記憶デバイス８３０を含む。このような記憶デバイスは、それぞれ、ハードディスクドライブインターフェース、磁気ディスクドライブインターフェース、および光学ドライブインターフェースによってシステムバス８０６に接続することができる。ドライブおよび関連するコンピュータ可読媒体は、ＰＣ８００用のコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータの不揮発性記憶を提供する。他のタイプのコンピュータ可読媒体は、磁気カセット、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのような、ＰＣによってアクセス可能なデータを記憶することができ、例示的な動作環境において使用することもできる。

いくつかのプログラムモジュールは、オペレーティングシステム、１つ以上のアプリケーションプログラム、他のプログラムモジュール、およびプログラムデータを含む記憶デバイス８３０に格納することができる。ユーザは、キーボードなどの１つ以上の入力デバイス８４０およびマウスなどのポインティングデバイスを介して、コマンドおよび情報をＰＣ８００に入力することができる。他の入力デバイスは、デジタルカメラ、マイクロフォン、ジョイスティック、ゲームパッド、衛星放送受信機、スキャナなどを含むことができる。これらおよび他の入力デバイスは、しばしば、システムバス８０６に連結されるシリアルポートインターフェースを介して１つ以上の処理ユニット８０２に接続されるが、パラレルポート、ゲームポート、またはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）などの他のインターフェースによって接続されてもよい。モニタ８４６または他のタイプの表示デバイスもまた、ビデオアダプタなどのインターフェースを介してシステムバス８０６に接続されている。スピーカおよびプリンタ（図示せず）などの他の周辺出力デバイスが含められてもよい。

ＰＣ８００は、リモートコンピュータ８６０などの１つ以上のリモートコンピュータへの論理接続を使用してネットワーク環境で動作することができる。いくつかの例では、１つ以上のネットワークまたは通信接続８５０が含まれる。リモートコンピュータ８６０は、別のＰＣ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、またはピアデバイスもしくは他の共通ネットワークノードであってもよく、典型的には、ＰＣ８００に関して上述した要素の多くまたはすべてを含むが、図８にはメモリ記憶デバイス８６２のみ図示されている。パーソナルコンピュータ８００および／またはリモートコンピュータ８６０は、論理ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）に接続することができる。そのようなネットワーキング環境は、オフィス、企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットでは通常である。

ＬＡＮネットワーキング環境において使用される場合、ＰＣ８００は、ネットワークインターフェースを介してＬＡＮに接続される。ＷＡＮネットワーキング環境において使用される場合、ＰＣ８００は、通常、インターネットなどのＷＡＮを介した通信を確立するためのモデムまたは他の手段を含む。ネットワーク環境では、パーソナルコンピュータ８００に関連して図示されたプログラムモジュールまたはその一部は、リモートメモリ記憶デバイスまたはＬＡＮもしくはＷＡＮ上の他の場所に記憶されてもよい。示されているネットワーク接続は例示であり、コンピュータ間の通信リンクを確立する他の手段が使用されてもよい。

ＰＣ８００は、ＣＰＢシステムと通信するため、および／またはＣＰＢシステムを制御するために結合される。メモリ８０４は、センサー温度特性または較正データおよびセンサー領域位置を記憶するメモリ部分８０４Ａ、ＣＰＢ欠陥制御を提供するメモリ部分８０４Ｂ、ステージまたはサンプルホルダーの温度プロファイルを記憶するメモリ部分８０４Ｃ、非センサー領域からの電流値または画像明るさ値などの基準値を記憶するメモリ部分８０４Ｄ、およびセンサー値（電流または明るさ）を比較し、記憶された温度プロファイルに基づいて予想されるサンプル温度を計算し、および／または温度プロファイルを取得するためのコンピュータ実行可能な命令を含むメモリ部分８０４Ｅ、を含むことができる。

一般的な考慮事項
上記の例は、説明の便宜上、電子顕微鏡法に関するが、他のＣＰＢシステム、または光学顕微鏡もしくはＸ線システムなどの電磁放射に基づくシステムを使用することもできる。サンプルの温度評価は、便宜上、画像内のセンサー領域の明るさを使用して行うことができる。本明細書で使用される場合、明るさは、ＪＰＥＧ、ＴＩＦＦ、ビットマップ、または他の表現などの画像または画像部分の記憶されたまたは記憶可能な表現における表示画像の見かけの視覚的明るさまたは関連する明るさ値を指す。明るさは、波長、荷電粒子エネルギー、または他のパラメータの関数として、ならびに温度の関数として取得することができる。明るさは、暗い（０）から明るい（１）の範囲または他の値に正規化することができる。

本明細書では、センサー材料が提供される領域を、便宜上、センサー、センサー領域、センサーパッチ、または温度センサーと呼ぶ。画像とは、機器のオペレータが視覚的に観察するために提示された表示画像、および視覚画像を提供するために使用することができる記憶された値を指す。

図１０を参照すると、代表的な較正方法１０００は、１００２においてセンサー温度を設定することと、１００４においてセンサーの明るさ（または他のパラメータ）を記録することと、を含む。設定された温度および明るさは１００６においてコンピュータ可読メモリに記憶される。１００８において決定されるように、追加の温度に関心がある場合は、追加の温度が１００２において設定され、明るさの測定およびデータの記憶が繰り返される。追加の温度を使用しない場合は、１０１０において較正曲線または表を作成することができる。場合によっては、温度Ｔ＝Ｔ（Ｂ）であるように、分析適合を生成することができ、式中、Ｂは明るさである。

本明細書で使用される場合、サンプルは、生物学的サンプルなどの調査されるべきサンプルを指し、サンプル支持体、金属グリッド、炭素膜などではない。

温度の関数としての抵抗率の変化または他のセンサーの変化を、センサー領域に関連する二次放出または後方散乱ＣＰＢ部分などのＣＰＢ照射に応答する電流の測定によって調べることができる。このような電流は、熱センサーの画像を形成する際に使用することができる。本明細書で使用される場合、より高い明るさは、典型的なＣＰＢ画像のように、より大きな検出電流に関連するが、逆コントラスト画像も使用することができる。場合によっては、１つ以上の基準領域（つまり、非センサー領域）が同様に、温度評価のためにセンサー領域と比較するために調べられる。開示されたアプローチは、適切なサンプル傾斜メカニズムおよび画像再構成法を使用する低温電子線トモグラフィーに特に適している。

便宜上、センサー材料は、対象の温度範囲で大きな抵抗率の差を有する。ＨＴＳＣは、臨界温度以下では抵抗がゼロであるため、臨界温度の上下での抵抗率の比率は非常に大きくなる（理論的には無限大）。便宜上、選択された温度範囲（しばしば低温電子顕微鏡法の場合、−１７５℃〜−１３５℃）内で２．５：１、５：１、１０：１、２０：１、５０：１またはそれ以上の抵抗率比を示す他の材料を使用することができる。概して、温度の関数としての較正とともに任意の材料を使用することができる。光反射率および透過率、二次放出比、光学スペクトル、抵抗率などの材料特性を使用することもできる。

本出願および特許請求の範囲において使用される、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数形も含む。加えて、「含む」という用語は、「備える」を意味する。さらに、「結合された」という用語は、結合された項目間の中間要素の存在を排除するものではない。

本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、多少なりとも制限的なものとして解釈されるべきではない。代替的に、本開示は、単独で、ならびに相互の様々な組み合わせおよび部分的な組み合わせにおいて、様々な開示された実施形態のすべての新規でかつ非自明な特徴および態様を対象とする。開示されたシステム、方法、および装置は、任意の特定の態様もしくは特徴またはそれらの組み合わせに限定されず、開示されたシステム、方法、および装置は、任意の１つ以上の特定の利点が存在すべきである、または問題が解決されるべきであることも必要としない。いずれの動作理論も説明を容易にするためであるが、開示されたシステム、方法、および装置は、そのような動作理論に限定されない。

開示された方法のいくつかの動作は、便宜的な提示のため、特定の順番で記載されているが、以下に記載される具体的な用語によって特定の順序が要求されない限り、この説明様式が並び替えを包含することを理解されたい。例えば、順に記載される動作は、場合によっては、並び替えられるかまたは同時に実施され得る。さらに、単純化のために、添付の図は、開示されたシステム、方法、および装置を、他のシステム、方法、および装置と共に使用することができる様々な方式を示していない場合がある。加えて、説明は、時に、開示された方法を説明するために、「生成する」および「提供する」のような用語を使用する。これらの用語は、実施される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実施に応じて、様々であり、当業者には容易に認識可能である。

いくつかの例では、値、手順、または装置は、「最低」、「最良」、「最小」などと言及される。そのような記載は、多くの使用される機能的選択肢からの選択が可能であることを示すことを意図しており、そのような選択は、他の選択よりも優れている、小さい、または他の点で好ましい必要はないことが理解されよう。

例は、「上に」、「下に」、「上の」、「下の」などとして示される方向に言及して説明される。これらの用語は、説明の便宜上使用されているが、特定の空間的方向性を示唆するものではない。本明細書で使用されるように、熱接触は、直接の物理的接触を必要とせず、熱伝導経路のみを必要とする。

本開示の技術の原理が適用できる多数の可能な実施形態の観点では、図示された実施形態は好ましい実施例のみであり、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないと認識すべきである。したがって、我々は、添付の請求項の範囲および趣旨に含まれるすべてのものを主張する。

Claims (21)

1. サンプルに熱的に近接して熱センサーを配置することと、
   前記熱センサーの少なくとも一部を画像化することと、
   前記熱センサーの画像化された前記一部の画像の明るさ、または前記熱センサーの前記画像化された一部に関連する電流に基づいて前記サンプルの温度を評価することと、
   を含む方法。
2. 前記熱センサーは超伝導体材料であり、前記サンプルの温度を評価することは、前記サンプルが前記超伝導体材料に関連する臨界温度よりも低いまたは高い温度にあるかどうかを決定することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記超伝導体材料が高温超伝導体（ＨＴＳＣ）である、請求項１に記載の方法。
4. 前記熱センサーがサンプルホルダー上に配置されている、請求項１に記載の方法。
5. 前記サンプルホルダーが、金属グリッドおよび有孔炭素膜のうちの少なくとも１つを含み、前記熱センサーが、前記金属グリッドおよび前記有孔炭素膜のうちの少なくとも１つの上に配置されている、請求項４に記載の方法。
6. 前記サンプルホルダーが導電性周囲リングを含み、前記熱センサーが前記導電性周囲リング上に配置されている、請求項４に記載の方法。
7. 前記熱センサーを荷電粒子ビーム（ＣＢＰ）に曝露することによって前記熱センサーの明るさを決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記熱センサーの少なくとも一部の荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）への曝露に基づいて、曝露部分のＣＰＢ画像を形成し、前記ＣＰＢ画像における前記熱センサーの前記明るさに基づいて前記熱センサーに関連する温度を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記熱センサーが前記サンプルと接触しているか、または前記サンプル内に配列されている、請求項１に記載の方法。
10. ＣＰＢ顕微鏡法用のサンプルホルダーであって、
    サンプルを保持するためのサンプル領域を画定するサンプル支持体と、
    前記サンプル領域に熱的に近接して配置された少なくとも１つの温度センサーと、
    を含むサンプルホルダー。
11. 前記サンプル支持体が炭素膜であり、前記温度センサーが前記炭素膜に接触するか、または前記炭素膜に熱的に結合されている、請求項１０に記載のサンプルホルダー。
12. 前記炭素膜と接触する金属グリッドをさらに含み、前記温度センサーが前記金属グリッドと接触するか、または前記金属グリッドに熱的に結合されている、請求項１１に記載のサンプルホルダー。
13. 前記サンプル領域を画定する前記サンプル支持体の少なくとも一部の周りに配置された導電性リングをさらに含み、前記温度センサーは、前記周囲リングに接触するか、または熱的に結合されている、請求項１０に記載のサンプルホルダー。
14. 前記熱センサーが、−１３５℃〜−１７５℃の臨界温度を有する高温超伝導体（ＨＴＳＣ）である、請求項１３に記載のサンプルホルダー。
15. 前記熱センサーが、前記サンプル支持体に固定された、または前記サンプル支持体と接触した、熱センサー材料の複数の粒子を含む、請求項１０に記載のサンプルホルダー。
16. サンプル位置にＣＰＢサンプルホルダーを保持するように動作可能なサンプルステージと、
    前記ＣＰＢサンプルホルダーに接触するように動作可能であり、前記サンプルホルダーに結合されている熱センサーであって、前記サンプル位置に関連する温度に基づいて熱応答信号を生成するように構成されている熱センサーと、
    前記熱センサーに結合され、前記熱応答信号に基づいてサンプルホルダー温度の表示を生成するように動作可能なプロセッサと、
    を含むシステム。
17. 温度の関数としての熱応答信号の較正を記憶した少なくとも１つのコンピュータ可読媒体をさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記較正がルックアップテーブルとして記憶されている、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記熱応答信号は、前記ＣＰＢ画像内の画像明るさ、抵抗、抵抗率、または電流のうちの１つである、請求項１７に記載のシステム。
20. ＣＰＢ透過性サンプルホルダーをさらに含み、前記熱センサーが前記ＣＰＢ透過性サンプルホルダーに固定されている、請求項１６に記載のシステム。
21. 低温電子顕微鏡法におけるサンプル温度の評価のための方法であって
    ガラス化したサンプルと熱的に接触して熱センサーを配置することと、
    電子ビームを前記熱センサーに向け、前記電子ビームに応答する前記熱センサーに関連する後方散乱電子強度、二次放出強度、または導電率のうちの１つ以上を検出することと、
    検出された電流に基づいて、前記熱センサーの少なくとも一部の画像を生成することと、
    前記画像の前記一部に基づいて、前記ガラス化したサンプルの温度を決定することと、
    を含む方法。
    
    

Images