電子顕微鏡

最新の透過型電子顕微鏡（TITAN）

電子顕微鏡は、電子ビームを光源として用いる顕微鏡です。光学顕微鏡のガラスレンズに類似した電子光学系を用いて電子ビームを制御し、例えば焦点を絞って拡大画像や電子回折パターンを生成します。電子の波長は可視光の10万分の1以上も短いため、電子顕微鏡の解像度は約0.1nmと、光学顕微鏡の約200nmを大きく上回ります。[ 1 ]電子顕微鏡は、以下のものを指す場合があります。

詳細は上記のリンクをご覧ください。この記事には、主に透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡に関する一般的な情報が含まれています。

歴史

顕微鏡に使われる電子光学 の基礎は、数多くの開発によって築かれました。 [ 2 ]重要なステップの一つは、 1883年のヘルツの研究です。[ 3 ]彼は静電的および磁気的な偏向を備えたブラウン管を作り、電子ビームの方向を操作できることを実証しました。他には、1899年のエミール・ヴィーヘルトによる軸方向磁場による電子の収束、 [ 4 ]アーサー・ウェーネルトによる1905年の電子生成量を増やす酸化物コーティングされたカソードの改良、 [ 5 ]ハンス・ブッシュによる1926年の電磁レンズの開発などがあります。[ 6 ]デニス・ガボールによると、物理学者のレオ・シラードは1928年にガボールに電子顕微鏡を作るよう説得しようとしました。シラードは電子顕微鏡の特許を申請していました。[ 7 ]

1930年代にエルンスト・ルスカが製作した初期の電子顕微鏡の複製

今日に至るまで、透過型電子顕微鏡を誰が発明したかという問題は議論の的となっている。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 1928年、シャルロッテンブルク工科大学（現在のベルリン工科大学）で、高電圧技術および電気設備の教授であったアドルフ・マティアスが、電子ビームと陰極線オシロスコープの研究を進める研究者チームのリーダーにマックス・ノールを任命した。チームはエルンスト・ルスカを含む数人の博士課程の学生で構成されていた。1931年、マックス・ノールとエルンスト・ルスカ[ 12 ] [ 13 ]は、陽極開口部上に配置されたメッシュグリッドの拡大画像を生成することに成功した。図に複製が示されているこの装置は、2つの磁気レンズを使用してより高い倍率を実現した、最初の電子顕微鏡であった。 (マックス・ノールは1969年に亡くなったため、電子顕微鏡の発明に対する 1986年のノーベル賞を共同受賞しませんでした。)

明らかにこの研究とは独立して、シーメンス・シュッケルト社でラインホルト・リューデンベルクが行った研究があった。特許法（米国特許番号2058914 [ 14 ]および2070318 [ 15 ] 、いずれも1932年出願）によれば、彼は電子顕微鏡の発明者であるが、実際に動作する機器をいつ入手したかは明らかではない。彼は1932年の非常に短い論文[ 16 ]の中で、シーメンスは1932年に特許が出願される数年前からこの研究に取り組んでおり、自身の研究は大学の開発と並行していたと主張している。彼は1961年に亡くなったため、マックス・ノールと同様に1986年のノーベル賞の受賞資格は得られなかった。[ 17 ]

翌1933年、ルスカとノールは光学顕微鏡の解像度を超える最初の電子顕微鏡を製作した。[ 18 ] 4年後の1937年、シーメンスはエルンスト・ルスカとボド・フォン・ボリスの研究に資金を提供し、エルンストの弟であるヘルムート・ルスカを雇って顕微鏡の用途、特に生物学的標本への応用を開発させた。[ 18 ] [ 19 ]また1937年には、マンフレート・フォン・アルデンヌが走査型電子顕微鏡の先駆者となった。[ 20 ]シーメンスは1938年に最初の商用電子顕微鏡を生産した。[ 21 ]北米初の電子顕微鏡は1930年代にワシントン州立大学でアンダーソンとフィッツシモンズ[ 22 ] 、トロント大学ではイーライ・フランクリン・バートンと学生のセシル・ホール、ジェームズ・ヒリアー、アルバート・プレバスによって製作された。シーメンスは1939年に透過型電子顕微鏡（TEM）を製造しました。[ 23 ]現在の透過型電子顕微鏡は200万倍の拡大が可能ですが、科学機器としては光学系が改良されている以外は同様のものとなっています。

1940年代には、高解像度の電子顕微鏡が開発され、より高い倍率と解像度が可能になりました。[ 24 ] 1965年までに、シカゴ大学のアルバート・クルーは、電界放出源を使用した走査透過型電子顕微鏡を発表し、[ 25 ]高解像度の走査型顕微鏡を可能にしました。[ 26 ] 1980年代初頭までに、機械的安定性の向上とより高い加速電圧の使用により、原子スケールでの物質の画像化が可能になりました。[ 27 ] [ 28 ] 1980年代には、電界放出銃が電子顕微鏡で一般的になり、追加のコヒーレンスと低い色収差により画質が向上しました。 2000年代は、収差補正電子顕微鏡の進歩が特徴であり、画像の解像度と鮮明さが大幅に向上しました。[ 29 ] [ 30 ]

電子顕微鏡の種類

透過型電子顕微鏡の動作原理

透過型電子顕微鏡（TEM）

透過型電子顕微鏡

電子顕微鏡の原型である透過型電子顕微鏡（TEM）は、高電圧電子ビームを用いて試料を照射し、像を作成します。電子ビームは電子銃によって生成され、通常20～400keVのエネルギーを持つ電子が電磁レンズによって集束され、薄い試料を透過します。試料から出た電子ビームは試料の構造に関する情報を運び、顕微鏡のレンズによって拡大されます。この情報（「像」）の空間的変化は、拡大された電子像を検出器に投影することで観察できます。例えば、硫化亜鉛などの蛍光体またはシンチレータ材料を塗布した蛍光観察スクリーンを用いて、操作者が像を直接観察することができます。より一般的には、高解像度の蛍光体がレンズ光学系または光ファイバーライトガイドを介してデジタルカメラのセンサーに結合されます。別の方法として、シンチレータを持たない直接電子検出器を使用する方法があります。これは、シンチレータ結合型カメラの限界の一部に対処します。[ 31 ]

長年にわたり、透過型電子顕微鏡（ TEM）の解像度は電子光学系の収差、主に球面収差によって制限されていました。最新の装置では、ハードウェア補正器によって球面収差やその他の収差を低減できるため、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）の解像度は0.5オングストローム（50ピコメートル）未満に向上し、[ 32 ] 5000万倍以上の拡大が可能になります。[ 33 ]物質内の原子の位置を決定するHRTEMの能力は、多くの研究開発分野で有用です。[ 34 ]

走査型電子顕微鏡（SEM）

走査型電子顕微鏡の動作原理

SEMは、集束した電子ビームを試料上で走査（ラスタースキャン）することで試料をプローブし、画像を生成します。電子ビームが試料と相互作用すると、エネルギーを失い、様々なメカニズムによって様々な方向に散乱します。これらの相互作用により、低エネルギーの二次電子や高エネルギーの後方散乱電子の放出、発光（カソードルミネッセンス）、X線放出などが発生します。これらの信号はすべて、試料の表面形状や組成などの情報を含んでいます。SEM使用時に表示される画像は、これらの信号の強度変化を画像として表示します。画像内の各位置は、信号が発生したときの試料上のビームの位置に対応しています。[ 35 ]：1–15

テスカンS8000X走査電子顕微鏡

SEMはTEMとは異なり、通常20keV以下のはるかに低いエネルギーの電子を使用します。[ 36 ] TEMは通常80～300keVのエネルギーの電子を使用します。[ 37 ]そのため、2つの顕微鏡の電子源と光学系は設計が異なり、通常は別々の装置です。[ 38 ]

走査透過型電子顕微鏡（STEM）

STEMは、試料を横切って集束した入射プローブを走査させることでTEMとSEMの両方の特徴を兼ね備えていますが、主に試料を透過した電子を用いています。多くの種類のイメージングは​​TEMとSTEMの両方に共通していますが、環状暗視野イメージングやその他の分析技術などは、STEM装置の高い空間分解能によりはるかに容易に実行できます。欠点の1つは、画像データが並列ではなく直列に取得されることです。[ 35 ]：75–138

主な動作モード

SEMで見たアリの画像

電子顕微鏡で画像を取得する最も一般的な方法は、試料を透過した電子の方向やエネルギーの異なる電子を選択することです。これを行う方法は非常に多くありますが、すべてが非常に一般的というわけではありません。

二次電子

SEMで生成される電子-物質相互作用量と信号の種類

SEMでは、電子ビームと試料内の原子との相互作用によって信号が生成されます。最も一般的な方法は、二次電子（SE）を用いて画像を生成することです。二次電子のエネルギーは50 eV程度と非常に低いため、固体中での平均自由行程は試料表面から数ナノメートル下に制限されます。 [ 39 ] 電子はエバーハート・ソーンリー検出器[ 40 ]によって検出されます。これはコレクター・シンチレーター・光電子増倍管システムの一種です。二次電子からの信号は一次電子ビームの衝突点に非常に局所的であるため、特殊な機器を用いて1 nmを超える分解能で試料表面の画像を原子スケールで収集することが可能です。[ 41 ]

信号の明るさは、検出器に到達する二次電子の数に依存します。ビームが試料の表面に対して垂直に入射した場合、電子はビームの軸を中心に対称的に出射します。入射角が増加すると、電子が放出される相互作用体積が増加し、ビームの片側からの「脱出」距離が短くなるため、試料から放出される二次電子の数が増加します。したがって、急勾配の表面やエッジは平坦な表面よりも明るくなる傾向があり、反射光像に似た、明瞭で立体的な外観の画像が得られます。[ 39 ]

後方散乱電子

後方散乱電子（BSE）は、ビームと試料の相互作用によって電子が弾性散乱または非弾性散乱を受け、試料から後方に放出される電子です。通常、BSEは50eVから一次ビームのエネルギーまでのエネルギーを持つと定義されます。後方散乱電子は、画像化と電子後方散乱回折（EBSD）像の形成の両方に利用でき、EBSD像は試料の結晶構造を決定するために用いられます。[ 39 ]

オックスフォードS2検出器を用いて20kVで撮影した（001）単結晶シリコン結晶の電子後方散乱回折パターン

重元素（原子番号が大きい）は軽元素（原子番号が小さい）よりも電子を強く後方散乱させるため、画像ではより明るく見えるため、BSE画像は化学組成の異なる領域を検出するために使用できます。[ 39 ] 信号を最適化するために、専用の後方散乱電子検出器が試料上に「ドーナツ」型に配置され、電子ビームと同心円状に配置され、収集立体角が最大化されます。BSE検出器は通常、シンチレータ型または半導体型です。検出器のすべての部品を使用してビームに対して対称的に電子を収集すると、原子番号コントラストが生成されます。一方、非対称で方向性のあるBSE検出器を使用して試料上部の片側から後方散乱電子を収集すると、強い地形コントラストが生成されます。その結果、その側から地形が照明されているかのように見えます。半導体検出器は放射状のセグメントに構成することができ、セグメントのオン/オフを切り替えることで、生成されるコントラストの種類と方向性を制御できます。[ 39 ]

回折コントラスト画像

回折コントラストは、回折電子の方向、あるいはその振幅の、位置の関数としての変化をコントラストのメカニズムとして利用します。これは透過型電子顕微鏡で画像化する最も簡単な方法の一つであり、広く用いられています。

その考え方は、試料の下に対物絞りを設け、回折方向を一つだけ、あるいは複数の異なる方向から選択し、それらを用いて像を形成するというものである。絞りが入射ビーム方向を含む場合、その像は明視野と呼ばれる。これは試料がない場合、視野全体が均一に明るくなるためである。絞りが入射ビームを含まない場合、その像は暗視野と呼ばれる。これは同様に試料がない場合、像全体が均一に暗くなるためである。[ 42 ] [ 43 ]この方法の1つの変種は弱光ビーム暗視野顕微鏡法と呼ばれ、転位などの欠陥の高解像度像を得るために用いられる。[ 44 ]

高解像度画像

CuTe高解像度画像

高解像度透過型電子顕微鏡（高解像度電子顕微鏡とも呼ばれる）では、対物絞りから多数の異なる回折ビームが入射する。これらの回折ビームが干渉し、物質の原子構造を表す像が得られる。これらの像には入射ビームの方向が含まれる場合もあれば、走査透過型電子顕微鏡では通常、入射ビームを除く一連の回折ビームが含まれる場合もある。[ 28 ]試料の厚さや顕微鏡の収差に応じて、これらの像は原子列の位置に基づいて直接解釈される場合もあれば、電子の多重散乱[ 45 ]や顕微鏡のコントラスト伝達関数[ 46 ]の影響を計算したより慎重な分析が必要となる場合もある。

原子レベルの情報を得ることができる画像化法は他にも数多く存在します。電子線ホログラフィーは、試料を通過した電子と参照ビームの干渉を利用します。[ 47 ] 4D STEMは、走査型電子顕微鏡を用いて各点で回折データを収集し、それらを処理して様々な種類の画像を生成します。[ 48 ]

X線マイクロアナリシス

エビの一種Rimicaris exoculataの鉱物殻のEDSスペクトル[ 49 ]これらのピークのほとんどはK-α線とK-β線である。1つのピークは鉄のL殻に由来する。

X線マイクロアナリシスは、あらゆる種類の電子顕微鏡において局所的な化学情報を得る手法ですが、最も一般的には走査型電子顕微鏡で用いられます。高エネルギー電子が原子と相互作用すると、特に内殻電子と内殻電子が叩き出されます。これらの電子は価電子で満たされ、価電子と内殻電子のエネルギー差がX線に変換され、分光計で検出されます。これらのX線のエネルギーは原子種によってある程度特異的であるため、局所的な化学反応を調べることができます。[ 39 ]

ウナギ

実験的な電子エネルギー損失スペクトル。ゼロ損失ピーク、プラズモンピーク、コア損失エッジなどの主要な特徴を示しています。

X線マイクロ分析と同様に、試料を透過した電子のエネルギーを分析し、局所的な電子構造の詳細から化学情報に至るまでさまざまな情報を得ることができます。[ 50 ]

電子回折

透過型電子顕微鏡は、電子回折モードで使用することができ、試料から放出される電子の角度マップを作成することができます。X線結晶構造解析に対する電子回折の利点は、主に結晶のサイズにあります。X線結晶構造解析では、結晶は一般的に肉眼で観察でき、長さは数百マイクロメートルです。一方、電子回折用の結晶は厚さが数百ナノメートル未満でなければならず、サイズに下限はありません。さらに、電子回折は透過型電子顕微鏡（TEM）上で行われるため、別の装置を必要とせず、他の種類の情報も得ることができます。[ 51 ] [ 37 ]

Si (001)のCBEDの厚さによる変化

電子回折には、どのような照明条件が用いられるかによって多くのバリエーションがあります。平行ビームを用い、電子が照射される領域を制限するための絞りを用いて電子を照射すると、通常、鋭い回折特徴が観察されます。この手法は選択視野電子回折と呼ばれ、主に用いられることが多いです。もう一つの一般的な手法は円錐状の照明を用いるもので、収束ビーム電子回折（CBED）と呼ばれます。これは物質の対称性を判断するのに適しています。3つ目は歳差運動電子回折で、平行ビームを大きな角度で回転させることで、平均回折パターンを生成します。[ 52 ]この場合、多重散乱は少なくなることが多いです。[ 53 ]

その他の電子顕微鏡技術

収差補正機器

3次球面収差補正器を搭載した走査透過型電子顕微鏡

収差補正透過型電子顕微鏡（AC-TEM）は、画像の解像度を制限する収差を低減するために電気光学部品を導入した電子顕微鏡の総称です。歴史的に電子顕微鏡は非常に深刻な収差を抱えており、21世紀初頭頃までは解像度が限られており、原子間の距離が十分離れている場合に限り、物質の原子構造を画像化できました。[ 54 ]世紀の変わり目頃には、電子光学部品はレンズとその配置のコンピュータ制御と統合され、収差の補正が可能になりました。TEMモードでの収差補正の最初の実証は、 1998年にHarald RoseとMaximilian Haiderによって六重極補正器を用いて行われ、STEMモードでは1999年にOndrej KrivanekとNiklas Dellbyによって四重極/八重極補正器を用いて行われました。[ 55 ]

2025年現在、多くの市販の電子顕微鏡では幾何収差の補正が標準となっており、科学の様々な分野で広く使用されています。[ 56 ] [ 57 ]同様の補正器は、 LEEM装置でもはるかに低いエネルギーで使用されています。[ 58 ]

サンプルの準備

走査型電子顕微鏡（SEM）で観察するために金でコーティングされた昆虫

電子顕微鏡の試料は、ほとんどの場合直接観察できません。試料を安定化させ、コントラストを高めるために、試料を前処理する必要があります。前処理技術は、観察対象となる試料の種類やその特性、そして使用する顕微鏡の種類によって大きく異なります。詳細は、上記の関連記事をご覧ください。

デメリット

1970年代半ばに製造されたJEOLの透過型および走査型電子顕微鏡

電子顕微鏡の製造と維持には多額の費用がかかります。高解像度を実現するために設計された顕微鏡は、磁場キャンセルシステムや防振マウントなどの特別な設備を備えた安定した建物（場合によっては地下）に設置する必要があります。[ 59 ]

試料は主に真空中で観察する必要がある。これは、空気を構成する分子が電子を散乱させるためである。例外として、液相電子顕微鏡法[ 60 ]がある。これは密閉された液体セルまたは環境チャンバーを用いるもので、例えば環境走査型電子顕微鏡では、水和した試料を低圧（最大20  Torrまたは2.7 kPa）の湿潤環境で観察することができる。気体試料のその場電子顕微鏡法のための様々な技術も開発されている。[ 61 ]

プレオリポウイルス粒子（HRPV-6）[ 62 ]

ほぼすべての生物標本を含む水和物質の試料は、安定化、厚さの減少（超薄切片作製）、電子光学コントラストの向上（染色）のために、様々な方法で調製する必要がある。これらの処理によってアーティファクトが生じる可能性があるが、通常、根本的に異なる標本調製方法を用いて得られた結果を比較することで、これらを識別することができる。1980年代以降、凍結固定されたガラス化標本の分析もますます利用されるようになった。[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

多くの試料は放射線損傷を受け、内部構造を変化させる可能性があります。これは、放射線分解過程、あるいは衝突カスケードなどの弾道的過程のいずれか、あるいは両方によって引き起こされる可能性があります。[ 66 ]これは生物学的試料にとって深刻な問題となる可能性があります。[ 67 ] [ 68 ]

参照

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