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透過電子顕微鏡用試料作製法と問題点

（非生物試料編）

１．透過電子顕微鏡ＴＥＭ用試料の特徴 （１）加速電圧と試料の厚さ（透過能） （２）TEM用試料に必要な条件 ２．観察目的と TEM用試料 ３．形態観察-レプリカ法 ４．粉体・微粒子観察法 ５．各種薄膜試料作製法と特徴 （１）化学研磨 （２）電解研磨 （３）イオン研磨

①Arイオンミリング法 ②Arイオンスライス法 ③Gaイオン FIB加工法

（４）ウルトラミクロトーム法 （５）強磁性体試料 関連文献

九州大学超高圧電子顕微鏡室 無断複製禁止 2010年 11月改訂

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１．透過電子顕微鏡用試料の特徴 （１）加速電圧と試料の厚さ（透過能）

図１-１ 波長、試料透過能の加速電圧依存性

電子顕微鏡用試料

(a)

2

試料ホルダの設置

試料の交換

図１－２ 試料ホルダーと試料の着脱

(b)

(c)

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（２）透過電子顕微鏡用試料に必要な条件

・電子線が透過できる厚さであること 高分解能格子像・・・t ＜ 10 nm EELS分析 内部組織観察・・・・t ＜ 200nm (加速電圧や元素によって異なる) ・導電性を有すること （絶縁体の場合はコーティングが必要） ・表面が平滑であること ・表面が清浄であること 酸化物や炭化物、油性物などが付着していないこと ・湾曲や厚さの局所変動がないこと ・電子線照射中に試料がドリフトしないこと

厚さ

図１－３ 試 料 形 状 と 支 持

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２．観察目的と電子顕微鏡用試料

表２－１ 材料の形状、観察目的および観察試料作製法

２－２ 観察試料作製法の種類とその概略 種 類 試 料 作 製 の 概 略

・試料の支持法 観察試料を電子線透過させ、対物レンズの固有な物体平面位置へ安定に保持するための方法

メッシュ 単孔か 50～1,000メッシュの直径 3mm、厚さ 10～50μで、Cu、Au、Ptなどでつくられ、支持膜やメッシュ孔より大きな薄膜試料などを張り付け支持固定する。

・マイクログリッド きわめて薄い試料膜や試料を支持するため、各孔径 0.1～10μの網目状膜をつくり、これをメッシュにのせて用いる。そのため支持が安定で、とくに高倍率観察に必要である。

支持膜 電子線をよく透過し耐性のあるプラスチックやカーボンなどの 数 nm～数10 nmの薄膜で、メッシュに張りつけた上に微粒体試料を支持する。プラスチック薄膜は、希薄溶液を水面か基板上に流し広げ、溶剤を揮発してつくり、カーボン薄膜は真空蒸着法により作製する。

・微粒体試料作製法 凝集塊状か液体、グリース中に存在する微粒体試料を支持膜上に単一粒子として分散固定する（分散法とよぶ）。

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噴煙法、直接捕集法、捕集法

凝集塊状試料を煙や塵状に空気中へ分散浮遊させるか、またはその状態の粒子を支持膜上に直接捕集固定する方法

付着・粘着分散法

支持膜上に粉末状試料をはきなでて単一粒子に分散、付着させる。そのさいにあらかじめ支持膜面に粘着性をあたえる処理をほどこし、粉末試料の分散を高め粒子を確実に固定する方法

ペースト法 凝集塊試料を水、有機溶剤、ワセリンなどでペースト状にねることによって分散させ、これを支持膜上に塗り、膜面に分散、付着した粒子のみを残し、余分は洗い流して取り除く方法

懸濁法 微粒体を液体中に懸濁分散させるか、またもともと懸濁状試料を支持膜面にのせ、懸濁溶液は蒸発させる方法と支持膜面に付着した粒子のみを残し、余分は濾紙に吸いとる方法

噴霧法 微粒体懸濁液を特殊な噴霧器でμ台の微小滴にし支持膜へのせる方法。液の蒸発が速いため粒子は凝集しにくい。

支持膜包埋法 粉末試料を懸濁したプラスチック溶液で、支持膜作製法により薄膜をつくり、メッシュにのせる方法

・シャドウィング法 コントラストの低い微粒体や薄膜表面の形態に、真空蒸着法で斜め上方から金属原子を吹きつけ、写真の照明に似た効果でコントラストの増強と形態観察を可能にする。とくに、レプリカ法の像形成上重要で、そのコントラストと解像度を高め立体視効果もあたえる。

・表面形態観察試料作製法（レプリカ法）

金属その他の組織や破断面などの表面形態の観察は、その試料面の凸凹を転写したレプリカの薄膜で行なう。試料面に真空蒸着法でレプリカ薄膜をつくり、剥離してこれを観察する 1段法。プラスチック材料などで、試料面を転写して剥離した面に真空蒸着法でレプリカ薄膜をつくり、先のプラスチックは溶解除去して観察用の薄膜を得る 2段法や 3段法がある。大きな試料や微粒体など試料の状態、性質などにより種類が多い。

・電子線染色法 コントラストの低い試料に重金属を含んだ染色液で、化学的または物理的に重金属を付着させる方法

・エキストラクションレプリカ法

金属組織面にある析出物や介在物を 1段レプリカ法で抽出し、組織と対応した抽出物個々の制限視野電子回折が行なえる。

・デコレーションレプリカ法

イオン結晶の劈開面に金を平均膜厚１nm以下に真空蒸着すると原子オーダの階段部に集積することを利用した方法

・フリーズエッチング法

プラスチック、含水物質、水などに懸濁された試料を、液体窒素温度に冷却固体化した後真空中で破断し、試料の組織構造または形態をあらわす面をレプリカ法で観察する方法

・薄膜試料作製法 大きな試料を電子線がよく透過するように薄膜にして内部構造を観察する。そのさい試料薄膜は元の構造を保存し、薄膜化による構造の変化を起こさぬように作製する方法

金属薄膜法 材料から歪みをあたえずに切りだし電解法の化学研磨などで薄膜にする方法

真空蒸着法 金属などを真空中で加熱蒸発させ、観察目的により種々な基板や蒸着条件で薄膜をつくり、処理を加えるなどを行なう方法

その他の薄膜法 プラスチックなど有機物質は、化学的な薄膜法、無機物質は機械的に破砕して得た薄片を用いる。結晶性物質などの劈開剥離性のよい試料は劈開法。試料面を基板に接着し強く剥離させ、基板に残った試料の薄片は接着剤を溶かして得るなどの方法

・超薄切片作製法 ガラスやダイヤモンドのナイフと、精密で極微小な送り機構をもつウルトラミクロトームを用い、材料を切削し膜厚 数 10 nm以下の薄膜試料を得る方法。微小な試料はプラスチック樹脂に包埋して切削する。

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図２－１ メッシュの種類（一部例）

図２－２ 孔径の異なるマイクログリッド例

①小さな穴 0.1～0.5μ ②中位の穴 0.5～1.5μ ③大きな穴 ３～6μ ④シートメッシュに張り付けたマイクロｸﾞﾘｯﾄﾞ

Ⓐ各数字はそれぞれのメッシュ数を示す。ただし、たて横の数を別々に示す場合あり。Ⓑ⑤はシートメッシュとよばれ、安価でもっとも多く用いられている。Ⓒ⑫はアルファベット記号入り。Ⓓ⑮～⑰は試料をはさんで用いる。

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３.形態観察―レプリカ法

図３－１ レプリカ像の形成

図３－２ レプリカの種類

図３－３ エキストラクションレプリカ

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図３－４ 一段および二段レプリカ作製の図解

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４．粉体、微粒子観察法

図４－１ 粉体試料付着分散法

（振掛け法）

図４－３ 懸濁分散法

図４－４ 水面に浮いた試料粒子の支持膜固定法

図４－２ ペースト分散法

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５．各種薄膜試料作製法と特徴 （１）化学研磨 表５－１ 薄膜作製のための化学研磨法

金属の種類 化学研磨液組成 研磨条件 摘要

Al

リン酸 45～85％、硝酸 2～40％(ほかに硫酸 0～40％、酢酸 0～15％、ニッケル、銀、銅、カドミウム、ナトリウムの硝酸、硫酸塩、ホウ酸、界面活性剤の一部を添加することあり)

90～120℃ 数秒～数分

もっとも多く使用される方法。これを中心とした浴数例（Alupol法など）あり

硝酸～13％、酸性フッ化アンモニウム～16％、硝酸鉛～0.02％（ほかに硝酸銅、クロム酸、グリセルロール、エチレングリコールなどの一部を添加することあり）

55～80℃ 数秒～数分

E.W.法、ほかにこれを中心とした浴数例（Kaiser法など）あり

カセイソーダ 28％、硝酸ソーダ 23％、亜硝酸ソーダ 17％、リン酸ソーダ 11％硝酸銅 0.015％、残水

135℃数秒

E.W.法、この例はほとんどほかに存在していない

フッ化ホウ素酸 0.15～5％、硝酸 0.25～3％（銅、亜鉛、銀、カドミウムなどの一部を添加することあり）

仏特許、ほかにこれを中心とするもの数例（E.W.法など）あり

鉄鋼および不鉄鋼

1 HF 70 容 HNO3 30 容 H2O 300 容

55℃～60℃ 5～10分

Fe-Si（＜2.8％）の研磨も可能

2 シュウ酸 25 g H2O2 13 g H2SO4 0.1 g H2O 1,000ml

20～30℃ 30～60分

3 CrO3 500 g H2SO4 150 ml

室温～50℃ 15～30分

本浴に浸セキする前に希H2SO4処理によって被研磨面を活性化しておく

4 縮合リン酸 100 容 （P2O5 72～75％） H2SO4（d=1.84）0～10容

180～250℃ 数秒～数分

縮合リン酸は市販正リン酸の加熱脱水、またはP2O5 添加のいずれかによって調整する

5 縮合リン酸 100 容 （P2O5 75～80％） 有機溶媒 10～40 容

60～130℃ 数分～数十分

有機溶媒としてアルコール、エーテル、ケトンの類を用いる。縮合リン酸は高 P2O5 濃度のものがよい

6 縮合リン酸 100ml H2SO4 10ml SnCl2(FeSO4) 5g(10g) Mn(NO3)2 5g

180～250℃ 数秒～数分

18Cr-8Ni系、13～25％Cr鋼の研磨可能

7 HNO3 65% HCl 20% H2SO4 10% インヒビター 0.5％

50℃ 処理面が黒味光沢をしているときはHNO3で 2次処理をする

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HNO3 2～8Vol% HCl 4～15Vol% HF 2～12Vol% H2SO4 3～18Vol% H2O 残り アルカロイド類 0.05～6wt%

70～85℃ 10～15分

18-8系、10～35%Cr鋼、アルカロイドの類としてニコチンのようなものが添加される

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HCl 30wt% H2SO4 40wt% CCl4 5.5wt% H2O 残り (HNO3 0.5%）

65～80℃ 2～5分

オーステナイト鋼に対してとくに顕著な研磨効果あり

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HNO3 0.5mol HCl 0.2mol H2O 3.0mol H3PO4 0.5mol HOAC 0.5mol

65℃ 45秒

インヒビターを 0.1wt%程度添加するとよい

銅および銅合金

1 HNO3 (d=1.38) 100 g/l H2SO4 (d=1.84) 80 g/l HCl (d=1.17) 25 g/l H2O 残り

室温 数分

純銅および単相合金に適する

2 H3PO4 30～80容量% HNO3 5～20容量% 氷酢酸 10～50容量% H2O 0～10容量%

55～80℃ 2～6分

各種 Cu 合金の研磨可能、左記組成範囲内で適宜選択する

3 HNO3 40ml 氷酢酸 60ml 塩化第一銅 3g 重クロム酸カリ 5g

室温～50℃ 5～10秒

ほとんどすべての Cu 合金の研磨可能、ただしSn(＞5%)合金を除く

4 HF 40重量% H2SO4 95重量% 氷酢酸 100重量%

室温付近 金相学研究用に有効

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図５－１ 半導体結晶の平面 TEM試料作製法

図５－２ 多結晶シリコンの接着剥離法

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図５－３ 選択エッチングによる多層構造試料の平面 TEM試料作製法

バルク金属 薄板 薄膜 試料 圧延 化学研磨 研磨であいた 機械切断 電解研磨 などに 小孔の近傍か 腐食切断 イオン衝撃 より ら切り取る 超音波切断 などに 放電切断 より 放電腐食切断 噴射式電解腐食

図５－４ バルク金属から金属薄膜を得る手順

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（２）電解研磨

図５－５ Bollmann法

窓あけ法の電解槽における研磨状況（a）と、試料部のラッカー処理状態と 研磨に応じた試料の変化（b）～（e）

図５－６ 窓あけ法

図５－７ ウィンドウ（枠つけ）法 図５－８ ウィンドウ法による試料作製の手順 による電顕研磨の一例

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陰極に 0.6ｍｍの穴をあけ、穴の周辺は 図のように試料に対し凸形にする。 電顕研磨の最終段階まで使用できる。

試料に絶縁物を塗る必要がない。 有孔絶縁板と試料との角αを調節し、 試料にあく穴の位置が変えられる。

図５－９ 有孔陰極法 図５－１０ 有効隔壁法

図５－１１ 薄板予備研磨法

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表５－２ 薄膜作製のための電解研磨法

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図５－１２ ツインジェット研磨法の原理図

図５－１３ ツインジェット用試料ホルダーの一例

表５－３ 電解研磨法（ツインジェット法）に用いられる代表的な電解液

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（３）イオン研磨 イオン照射による無機材料の透過電顕試料作製 よく利用されている三種類のイオン研磨法の比較

装 置 研磨前の試料寸法・形状の目安

前処理 研 磨 特 徴

Arイオンミリング

3mmφ×t mm（円盤状） t < 1mm

t < 50～70 μmになるまでエメリー紙等で研磨、必要に応じて金属単孔メッシュに貼り付ける． ディンプルグラインダーで円盤中央に窪みをつける（中央部の厚さ 10μm程度）．

円盤の両側あるいは片側からArイオン照射． なるべく浅い角度で研磨

硬度の違う複合材料では研磨ムラができる． スパッタリング速度の違う多層膜は均一に研磨出来ない．

Arイオンスライス

2.8×0.8×t mm3 t < 1mm

t < 0.1mmになるまでエメリー紙等で研磨．

イオンが当たる前面にシールドベルト＊を置き、 イオンソースを傾けながら試料両面を浅い角度で研磨．

研磨状況はCCDカメラで観察できる．

集束 Ga イオンビーム加工（FIB 加工）

1.2×0.4×t mm3 t < 1mm

t < 0.1mmになるまでエメリー紙等で研磨．狙った箇所を Ga イオンビームで切り出し(3μm×15μm ×10μm)、半円状単孔メッシュにはりつける．（マイクロサンプリング法）

イオンが当たる面の一部にW を蒸着＊＊してあらかじめ保護しておく．なるべく浅い角度で研磨．

ピンポイントサンプリングが可能． SIM 像を頻繁に観察するとダメージが入る. SEM 付きの装置では、研磨状況を随時ダメージなしで観察可能．

＊シールドベルト、＊＊W 蒸着ともにイオン侵入による照射損傷を引き起こすのを防ぐ ための処置

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イオンスパッタリングによる電顕試料作製法

目印

ディンプルグラインダー

試料

回転方向

～80μm 10～30μm

3mmφ

ディンプル加工断面

Ar+イオン

TEM観察方向

中心部に孔

TEM観察

Arイオンミリング

Ar+イオン

TEM観察

Arイオンスライス

Ga+イオン

Ga+イオン

TEM観察

FIB 加工

塊状試料

機械的加工・ダイアモンド鋸・超音波加工

・放電加工・エメリー紙研磨・ダイアモンド研磨・その他

W 保護膜

TEM観察

① Ａｒイオンミリング法

図５－１４ 断面観察試料の薄膜作製の手順

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図５－１５ ディンプル研磨機の研磨様式（a）と試料の断面（b）

図５－１６ イオンミリング装置の構成

3mmφ

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図５－１７ 平面試料作製法模式図 図５－１８ 断面試料作製法模式図

図５－１９ バックシニング法

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a 粉末を樹脂で包埋、 b ガラスプレートを研磨治具に貼る、c 円盤状に研磨、

d, e 両面にMo単孔メッシュを貼る、f イオン研磨

図５－２０ Ti基急冷凝固粉末の TEM試料作製法

図５－２１ ジョセフソン接合の構造

上部電極（NbN）

下部電極（NbN） トンネル障壁層（Nb酸化物）

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図５－２２ 断面 TEM観察用試料の作製工程

図５－２３ メッキ試料の断面観察

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②Arイオンスライス法

イオンスライサによる薄膜試料作製の概念図 イオンスライサの特長 ●薄く機械研磨しないので ①試料に歪みが入らない。 ②多層膜などが剥離しない。 ③研磨時の破損がない。 ●高速でイオン研磨ができる。 ●イオン入射角度がゼロ度に近く、試料表面の凸凹が少なくローダメージである。 ●硬度差の大きい複合材料が薄膜にできる。 ●ポーラスで脆い材料でも薄膜にできる。 イオンスライス法の試料作製手順 1. 試料を、2.8mm×0.8mmに切り出す。 試料最表面を含む断面作製の場合は 2.8mm×0.4mmに切り出す。 ISOMETのようなカッターが便利。 2. 試料の厚さが、0.1mm程度になるまで紙やすりなどで研磨する。 厚さは、両刃のカミソリの小片を、表面の色がはがれるまで試料と一緒に研磨して判断する。 日本電子製のハンディラップが便利である。

3. 2.8mm×0.8mm×0.1mmの試料ができたら、イオンスライサにセットする。 １時間から２時間程度で薄膜試料ができる。

（薄膜ができると自動的に イオンエッチングを停止する。)

（JEOL EM-09100IS ION SLICER カタログより引用）

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③Gaイオン FIB加工法 半導体デバイスの故障解析などでは、不良箇所を正確に薄膜化することが要求される。しかし、従来のイオン研磨法では正確な位置精度での薄膜化という要求に十分対応できない。その対策の一つとして、集束イオンビーム（FIB : Focused Ion Beam）加工装置が開発されている。 従来の FIB加工 デュアルビーム FIB加工装置

-e

イオンGa +

電子

e-

２次電子

反射電子

FIB 加工

繰り返しまたは同時スキャン

試 料

W 保護膜

走査電顕SEM 像観察

Gaイオンを照射すると、

昇華によりWが堆積するGaイオン

スキャン

W(CO)6 ガス

CO ガス

ionatom ２次電子像（走査イオ

ン顕微鏡SIM 像）観察

試 料

FIBによる電顕試料作製 Cコーティング（導電性付与） 削る ： イオンスパッタリング 見る ： SIM 像観察（加工領域指定）

最近は、デュアルビーム FIBの出現で加工状態を SEM像でダメージなく観察できる

積む ： W デポジション（表面保護） 取り出す ： サンプリング

FIBマイクロサンプリングの手順

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（４）ウルトラミクロトーム 表５－４ 超薄切片法（試料と条件）

図 5－24 ミクロトームにおける試料調整手順

図 5－25 試料切削面の形状

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図 5－27 ナイフを固定するときには、 “逃げ角”をとらなければならない。

図 5－26 ミクロトームによる超薄切片 の作製

表 5－5 電顕用各種試料調製法の特色

調製法 対象物質 得られる膜厚 表面層 備考 電解研磨法 金属、合金 数十 nm以上 酸化物など不純

物層があらわれる場合あり

研磨液の選択、研磨条件の設定がポイント

粉砕法 セラミックス 数 nm以上 比較的清浄 劈開性のある物質に限られる

化学研磨法 半導体 数 nm以上 酸化物など不純物層があらわれる場合あり

研磨液はフッ酸系が主。温度など研磨条件の設定がポイント

ミクロトーム法 金属、セラミックス、生物試料

数十 nm以上 清浄 比較的軟らかい物質に限られる

イオンミリング法

半導体、セラミックスなど

数十 nm以上 イオン損傷、組成変化あり

電解研磨法、化学研磨法における表面不純物層の除去法としても有効

真空蒸着法 金属、合金 十 nm程度以上 不純物層は少ない

均一な厚さの薄膜が得られやすい

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（５）強磁性体試料

強磁性体の観察の難しい点 (1)試料自身の磁場で電子ビームが偏向され、軸がくるう． 特に、試料を傾斜した時顕著．

(2)対物レンズの強い磁場に試料が引かれてホルダーから脱落． レンズポールピースの孔にひっかかって、電子ビームの邪魔になる．

(3)ホルダーの試料支持台が傾いてしまう.

・試料をしっかり固定できるスクリュータイプの試料ホルダーを 利用する．

・試料の全体積を小さくする．

・対物レンズをオフにしてから試料ホルダーの出し入れを行う．

薄膜試料 小さな試料は非磁性金属メッシュに接着剤で固定する 粉末試料 微粒子は樹脂に埋め込む

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透過電顕試料作製法 関連文献 FIB法 日本顕微鏡学会和文誌 電子顕微鏡 Vol.37, No.3 (2002) 特集「FIB加工による電顕試料作製の現状と課題」 T. Ishitani et al.: Improvements in performance of focused ion beam cross-sectioning: aspects of ion-sample interaction, Journal of Electron Microscopy, 53(2004)pp.443-449. ミクロトーム法 岸田晴雄、伊藤喜子：薄切法の材料分野への応用、電子顕微鏡 Vol.29, No.3(1995)pp.181-185. その他一般 （１）電子顕微鏡 基礎技術と応用 1995 ～試料作製の先端技術～ 第６回電顕サマースクール実行委員会 編、学際企画、１９９５年 （２）各種分析手法におけるサンプリング・試料調整法と前処理技術 技術情報社 編、 技術情報協会 発行、１９９３年 （３）先端材料評価のための電子顕微鏡法 日本電子顕微鏡学会関東支部 編、朝倉書店、１９９１年 （４）多目的電子顕微鏡 見る 測る 確かめる 多目的電子顕微鏡編集委員会、共立出版、１９９１年 （５）電子顕微鏡技術 外村 彰 編、丸善、１９８９年 （６）電子顕微鏡利用の基礎 安達 公一 他 共著、共立出版、１９７５年 （７）透過電子顕微鏡法 幸田 成康 監、諸住 正太郎 他共訳、コロナ社、１９７４年