電子顕微鏡とは

電子顕微鏡は、サンプルに電子ビームを照射してサンプルを観察する顕微鏡です。電子ビームの波長が非常に短いため、光学顕微鏡では観察できない超微細構造を可視化することができます。電子ビームの透過率を画像として出力するタイプと、電子ビームとサンプルの相互作用によって生成される信号を画像化するタイプの2つがあります。 製品として販売されている電子顕微鏡の多くは、それぞれ工業用材料と生体サンプルの観察用に最適化されています。

電子顕微鏡を構成する主要な要素には、電子線源、レンズ、検出器があります。これらは光学顕微鏡の要素と似ていますが、それぞれの動作原理は大きく異なります。まず、電子線は空気中の分子と衝突するとすぐに減衰・消滅します。そのため、電子線の発生と照射は真空中で行う必要があります。次に、一般的な光学顕微鏡で使用されるガラスレンズは電子線を透過してしまいます。そこで、電子線を屈折させるために、磁場を利用して電子線を収束させる磁気レンズが使用されます。磁気レンズには光学的な収差が大きいという特性があり、これを改善するために開口数を小さく設計しています。これにより、電子顕微鏡は焦点深度が深く、奥行きのある立体的な観察が可能となります。

電子顕微鏡は主に以下の2種類に分類されます。

透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscopy：TEM）
TEMでは、電子線を試料に透過させ、その減衰によってコントラストを得ます。このため、試料は非常に薄く調整する必要があります。電子を加速する電圧を加速電圧と呼び、300kVの加速電圧では電子の波長が0.00197nmとなり、分解能は0.1nmに達します。これを最高倍率に換算すると80万倍となり、光学顕微鏡の800倍の分解能を持ちます。TEMは試料内部の透過電子を観察するため、試料内部の結晶構造などを見るのに適しています。

走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscopy：SEM）
SEMでは、真空中で試料に電子線を照射すると、二次電子、反射電子、特性X線などが放出されます。SEMは電子線を走査し、二次電子や反射電子信号を検出して像を形成します。二次電子は試料表面近くから発生するため、二次電子像は試料の微細な凹凸を観察するのに適しています。一方、反射電子は試料の原子に衝突して跳ね返される電子で、その数は試料の組成に依存します。反射電子像は試料表面の組成分布を評価するのに適しています。

電子線が試料に衝突すると、その表面の原子が励起されて電子を放出します。この放出された電子を二次電子と呼びます。SEMでは、この二次電子の強度をポイントスキャンすることで像を得ます。

電子顕微鏡の使用用途

工業分野では、損傷した金属部品の破面を分析して原因を調査し、加工面を観察して品質チェックを行います。また、高分子ポリマーのネットワークを観察することで、機械的性質を調べ、不純物の汚染を評価することができます。生命科学の分野では、細胞内の小器官の微細構造を可視化し、複雑に絡み合った神経細胞を観察することで、神経細胞間のつながりをマッピングします。

※一部商社などの取扱い企業も含みます。