電子顕微鏡の種類と特徴

電子顕微鏡は、電子ビームを試料に照射し、高解像度の像を得る装置です。光学顕微鏡が光子の波長で倍率が制限されるのに対し、電子の波長ははるかに短く、約0.05 nmまでの倍率が可能です。電子顕微鏡は記録するエネルギーの種類に基づき、主に以下の4つに分類されます。

歴史

最初の電子顕微鏡は、透過型電子顕微鏡（TEM）として、ドイツの技術者マックス・ノールとエルンスト・ルスカが1931年に製作しました。当初のプロトタイプは当時の光学顕微鏡よりも低い倍率でしたが、2年後には光学顕微鏡を超える倍率を実現しました。以降のすべての電子顕微鏡は、この基本構造を元に発展しています。

透過型電子顕微鏡（TEM）

透過型電子顕微鏡は、薄切りにした試料を電子ビームが透過した後の像を記録します。試料は銅ワイヤーの網目上に載せられ、高電圧で加熱したタングステンフィラメントから放出された電子ビームがコンデンサレンズを通り試料に当たり、さらに対物レンズ・投影レンズを経て蛍光スクリーンに集められます。すべての電子顕微鏡と同様、試料は脱水し真空中で観察する必要があります。TEMは最も高い倍率を得られる装置です。

走査型電子顕微鏡（SEM）

走査型電子顕微鏡は、試料表面から放出される二次電子や非弾性散乱電子を検出して画像を作ります。一次電子ビームはコンデンサレンズ、走査コイル、対物レンズを通って試料表面に当たり、散乱した電子が二次電子検出器で集められます。その信号をラスタースキャンすることで、深い被写界深度を持つ表面像が得られます。SEMはTEMに次いで広く利用されています。

反射型電子顕微鏡（REM）

反射型電子顕微鏡はSEMと構造は似ていますが、一次電子が試料表面に当たった後に戻ってくる反射電子（弾性散乱電子）を検出します。特にスピン偏極低エネルギー電子顕微鏡と組み合わせて、半導体回路などの磁気ドメイン像を観測する際に用いられます。

走査透過型電子顕微鏡（STEM）

走査透過型電子顕微鏡は、TEMと同様に薄い試料を電子ビームが通過させますが、試料を通過した後にビームを集めるのではなく、試料に当たる前にビームを細くし、走査しながら像を形成します。STEMは電子エネルギー損失分光法（EELS）や環状暗視野顕微鏡（ADF）などの分析マッピングに適しています。