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電子顕微鏡は、光源として電子ビームを用いる顕微鏡です。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、例えば集束させて拡大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波長の10万分の1以下であるため、電子顕微鏡の分解能は約0.1 nmと、光学顕微鏡の約200 nmに比べてはるかに高いです。[ 1 ]電子顕微鏡は以下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。この記事では、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を提供しています。
多くの発展が顕微鏡で使用される電子光学 の基礎を築きました。 [ 2 ]重要な一歩は、 1883年のヘルツの研究[ 3 ]で、彼は静電偏向と磁気偏向を備えた陰極線管を作り、電子ビームの方向の操作を実証しました。その他には、1899年のエミール・ヴィーヒェルトによる軸方向磁場による電子の集束[ 4 ] 、 1905年のアーサー・ウェーネルトによるより多くの電子を生成する改良された酸化物被覆陰極[ 5 ] 、そして1926年のハンス・ブッシュによる電磁レンズの開発[ 6 ]などがあります。デニス・ガボールによると、物理学者のレオ・シラードは1928年に彼に電子顕微鏡を作るよう説得しようとし、シラードはそれに関する特許を出願していました。[ 7 ]
透過型電子顕微鏡を誰が発明したかという問題は、今日に至るまで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、アドルフ・マティアス（高電圧技術および電気設備教授）は、マックス・ノールを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チームのリーダーに任命した。このチームは、エルンスト・ルスカを含む数名の博士課程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、陽極開口部の上に置かれたメッシュグリッドの拡大像を生成することに成功した。図に示されている複製であるこの装置は、2つの磁気レンズを使用してより高い倍率を実現しており、これが最初の電子顕微鏡である。 （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年のノーベル賞の受賞者にはならなかった。）
この取り組みとは明らかに無関係に、ラインホルト・リューデンベルクがシーメンス・シュッケルト社で研究を行っていた。特許法（米国特許第2058914号[ 14 ]および2070318号[ 15 ] 、いずれも1932年出願）によれば、彼は電子顕微鏡の発明者だが、いつ実用的な装置を持っていたかは明らかではない。彼は1932年の非常に短い記事[ 16 ]で、シーメンス社は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、彼の研究は大学での開発と並行していたと主張した。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なかった[ 17 ] 。
翌年の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・ボリー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、特に生物標本を用いた顕微鏡の応用を開発した。[ 18 ] [ 19 ]また1937年には、マンフレート・フォン・アルデンネ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製造した。[ 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 ]によって 、トロント大学でイーライ・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）を製造した。[ 23 ]現在の透過型電子顕微鏡は200万倍の倍率が可能だが、科学機器としては光学系が改良されただけで、基本的な構造は変わっていない。
1940年代には、高解像度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った。[ 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導入し、[ 25 ]高解像度の走査型顕微鏡を可能にした。[ 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、原子スケールでの材料のイメージングが可能になった。[ 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色収差の低減により画像品質が向上した。2000年代は収差補正電子顕微鏡の進歩によって特徴づけられ、画像の解像度と鮮明度が大幅に向上した。[ 29 ] [ 30 ]
電子顕微鏡の原型である透過型電子顕微鏡（TEM）は、高電圧の電子ビームを用いて試料を照射し、像を生成します。電子ビームは電子銃によって生成され、そのエネルギーは通常20～400keVの範囲で、電磁レンズによって集束され、薄い試料を透過します。試料から出てきた電子ビームは、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」）の空間的な変化は、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、蛍光体や硫化亜鉛などのシンチレーター材料でコーティングされた蛍光表示板を用いて、オペレーター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、シンチレーターを使用しない直接電子検出器を用いる方法があり、これはシンチレーター結合型カメラのいくつかの制限を克服します。[ 31 ]
長年にわたり、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。最近のほとんどの装置では、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することができ、高解像度透過型電子顕微鏡（HRTEM）の解像度を0.5オングストローム（50ピコメートル）以下に向上させ、 5000万倍以上の倍率を実現しています。[ 32 ] [ 33 ] HRTEMが材料中の原子の位置を決定できる能力は、多くの研究開発分野で有用です。[ 34 ]
走査型電子顕微鏡（SEM）は、試料を走査する集束電子ビーム（ラスタースキャン）を用いて試料をプローブすることで画像を生成します。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異なる方向に散乱されます。これらの相互作用により、低エネルギー二次電子や高エネルギー後方散乱電子の放出、発光（カソードルミネッセンス）、X線放出などの現象が発生します。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で表示される画像は、これらの信号の強度の変化を画像として示しています。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
SEMはTEMとは異なり、一般的に20 keV以下のはるかに低いエネルギーの電子を使用する[ 36 ]のに対し、TEMは一般的に80～300 keVのエネルギー範囲の電子を使用する[ 37 ] 。そのため、2つの顕微鏡の電子源と光学系は異なる設計になっており、通常は別々の装置である[ 38 ] 。
STEMは、集束入射プローブを試料上で走査することで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利用します。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などの分析手法は、STEM装置の方が空間分解能が高く、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
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を変えたり、エネルギーの異なる電子を選択したりすることです。これには非常に多くの方法がありますが、すべてが広く用いられているわけではありません。
走査型電子顕微鏡（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発生します。最も一般的な方法は、二次電子（SE）を使用して画像を生成することです。二次電子はエネルギーが非常に低く、約 50 eV程度であるため、固体物質中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、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あるエバーハート・ソーンリー検出器によって検出されます。 [ 40 ]二次電子からの信号は、一次電子ビームの衝突点に高度に局在する傾向があるため、1 nmよりも優れた解像度で試料表面の画像を収集することが可能であり、特殊な装置を使用すれば原子スケールの画像も取得できます。[ 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。ビームが試料表面に垂直に入射する場合、電子はビーム軸を中心に対称的に出てきます。入射角が大きくなるにつれて、電子が円錐状に出てくる相互作用体積が大きくなり、ビームの片側からの「脱出」距離が小さくなるため、試料から放出される二次電子の数が増えます。そのため、急な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、反射光画像に似た、明確な三次元的な外観を持つ画像が得られます。[ 39 ]
後方散乱電子（BSE）は、ビームと試料の相互作用によって試料から放出される電子であり、その相互作用では電子は弾性散乱と非弾性散乱を受ける。BSEは、一般的に50 eVから一次ビームのエネルギーまでのエネルギーを持つものと定義されている。後方散乱電子は、イメージングと電子後方散乱回折（EBSD）画像の形成の両方に使用でき、後者は試料の結晶構造を決定するために使用できる。[ 39 ]
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するため、画像ではより明るく映ります。そのため、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、電子ビームと同心円状にドーナツ型に配置され、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分がビームに対して対称的に電子を収集する場合、原子番号コントラストが生成されます。しかし、非対称指向性BSE検出器を使用して試料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。結果として得られるコントラストは、その側から地形が照明されているように見えます。半導体検出器は、生成されるコントラストの種類とその方向性を制御するために切り替え可能な放射状セグメントで作ることができます。[ 39 ]
回折コントラストは、回折電子の方向または振幅、あるいはその両方が位置に応じて変化することを利用してコントラストを生み出す手法です。透過型電子顕微鏡で画像を得る最もシンプルな方法の一つであり、広く用いられています。
この方法は、試料の下に対物絞りを設け、異なる回折方向の 1 つまたは範囲のみを選択し、それらを使用して画像を形成するというものです。絞りが入射ビームの方向を含む場合、画像は明視野と呼ばれます。これは、試料がない場合、視野が均一に明るくなるためです。絞りが入射ビームを除外する場合、画像は暗視野と呼ばれます。これは、同様に試料がない場合、画像が均一に暗くなるためです。[ 42 ] [ 43 ]この方法の 1 つの変種は弱ビーム暗視野顕微鏡と呼ばれ、転位などの欠陥の高解像度画像を取得するために使用できます。[ 44 ]
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、複数の異なる回折ビームが対物絞りを通過する。これらのビームが干渉し、材料の原子構造を表す画像が得られる。これには入射ビームの方向が含まれる場合もあれば、走査型透過型電子顕微鏡では入射ビームを除く回折ビームの範囲が含まれる場合もある。[ 28 ]サンプルの厚さや顕微鏡の収差に応じて、これらの画像は原子列の位置で直接解釈できる場合もあれば、電子の多重散乱[ 45 ]や顕微鏡のコントラスト伝達関数の影響[ 46 ]の計算を用いたより慎重な解析が必要となる場合もある。
原子レベルの情報につながるイメージング手法は他にも多数あります。電子ホログラフィーは、試料と参照ビームを通過した電子の干渉を利用します。[ 47 ] 4D STEMは、走査装置を使用して各点で回折データを収集し、それらを処理してさまざまな種類の画像を生成します。[ 48 ]
X線マイクロアナリシスは、あらゆる種類の電子顕微鏡内で局所的な化学情報を得る方法ですが、最も一般的には走査型装置で使用されます。高エネルギー電子が原子と相互作用すると、特に内殻電子とコア電子をはじき出すことがあります。はじき出された電子は価電子で満たされ、価電子状態とコア状態の間のエネルギー差は、分光計で検出されるX線に変換されます。これらのX線のエネルギーは原子種にある程度固有のものであるため、局所的な化学を調べることができます。[ 39 ]
X線マイクロアナリシスと同様に、試料を透過した電子のエネルギーを分析することで、局所的な電子構造の詳細から化学情報まで、さまざまな情報を得ることができます。[ 50 ]
透過型電子顕微鏡は、試料から出る電子の角度マップを作成する電子回折モードで使用できます。電子回折のX線結晶学に対する利点は、主に結晶のサイズにあります。X線結晶学では、結晶は肉眼で見えることが多く、長さは一般的に数百マイクロメートルです。これに対し、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、サイズの下限はありません。さらに、電子回折はTEMで行われ、別の装置を必要とせずに他の種類の情報を取得するためにも使用できます。[ 51 ] [ 37 ]
電子回折には、使用する照明条件の種類によって多くのバリエーションがあります。平行ビームを使用し、開口部で電子に照射される領域を制限すると、通常はシャープな回折パターンが観察されます。これは選択領域電子回折と呼ばれる手法です。これはよく使用される主要な手法です。もう1つの一般的なアプローチは円錐照明を使用するもので、収束ビーム電子回折（CBED）と呼ばれます。これは材料の対称性を決定するのに適しています。3つ目は歳差電子回折で、平行ビームを大きな角度で回転させ、一種の平均回折パターンを生成します。[ 52 ]これらは多重散乱が少ないことが多いです。[ 53 ]
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が導入された電子顕微鏡の総称です。歴史的に、電子顕微鏡はかなり深刻な収差を抱えており、21 世紀初頭頃までは解像度が制限され、原子が十分に離れていれば材料の原子構造を画像化することができました。[ 54 ]世紀の変わり目頃には、電子光学部品がレンズとそのアライメントのコンピュータ制御と組み合わされ、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が六極子補正器を使用して行い、STEM モードでは、 1999 年にOndrej Krivanekと Niklas Dellby が四極子/八極子補正器を使用して行いました。[ 55 ]
2025年現在、幾何収差の補正は多くの市販の電子顕微鏡で標準となっており、科学のさまざまな分野で広く使用されています。[ 56 ] [ 57 ]同様の補正器は、 LEEM装置でははるかに低いエネルギーでも使用されています。[ 58 ]
電子顕微鏡用の試料は、ほとんどの場合、直接観察することはできません。試料を安定化させ、コントラストを高めるために、試料の前処理が必要です。前処理方法は、観察対象となる試料の種類や特性、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、上記に挙げた関連論文を参照してください。
電子顕微鏡は製造と維持に費用がかかる。高解像度を実現するよう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（時には地下）に設置する必要がある。[ 59 ]
サンプルは、空気を構成する分子が電子を散乱させるため、大部分は真空中で観察する必要がある。例外として、密閉された液体セルまたは環境チャンバーを使用する液相電子顕微鏡法[ 60 ]があり、例えば環境走査型電子顕微鏡では、低圧（最大20 Torrまたは2.7 kPa ）の湿潤環境で水和サンプルを観察できる。気体サンプルのその場電子顕微鏡法のためのさまざまな技術も開発されている[ 61 ] 。
ほぼすべての生物試料を含む水和物質の試料は、安定化、厚さの低減（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、さまざまな方法で準備する必要があります。これらのプロセスによりアーティファクトが生じる可能性がありますが、これらは通常、根本的に異なる試料調製方法を使用して得られた結果を比較することによって識別できます。1980年代以降、凍結固定、ガラス化試料の分析もますます使用されるようになりました。[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]
多くの試料は放射線損傷を受け、内部構造が変化する可能性があります。これは、放射線分解プロセスまたは弾道、例えば衝突カスケードのいずれか、あるいは両方によ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 ]
