材料の電子顕微鏡

電子顕微鏡は、集束された電子ビームを用いて、光の分解能をはるかに超える材料の微細構造を画像化し、電子が生成する信号を通じて局所的な組成と結晶構造を分析する。

Definition

材料の電子顕微鏡法とは、電子の短い波長を利用して可視光では達成できない分解能に到達し、電子ビームを用いて微細構造の拡大画像を形成し、組成と結晶構造の空間分解分析を行うことである。

Scope

このトピックでは、材料の透過型および走査型電子顕微鏡について扱う。透過電子および散乱電子による画像形成、透過における回折コントラストと高分解能イメージング、走査顕微鏡における二次電子および後方散乱電子による表面イメージング、そして元素微量分析に用いられるX線および電子信号について説明する。また、アクセスされる長さスケール、試料調製、およびイメージングモードと分析モードの組み合わせ方についても論じる。

Core questions

• 透過型および走査型電子顕微鏡はどのように画像を形成するのか？
• なぜ電子は光よりもはるかに高い分解能を達成できるのか？
• 電子顕微鏡によって局所的な組成はどのように測定されるのか？
• 微細構造を特徴づけるために、イメージングモードと分析モードはどのように組み合わされるのか？

Key concepts

• 透過型電子顕微鏡
• 走査型電子顕微鏡
• 回折および位相コントラスト
• 二次電子および後方散乱電子
• エネルギー分散型X線分析
• 電子エネルギー損失分光法

Key theories

電子顕微鏡における画像形成

透過型顕微鏡では、薄い試料を通過する電子が回折と位相コントラストによって画像を形成し、欠陥や原子列を明らかにする。走査型顕微鏡では、表面上を走査する集束ビームが二次電子と後方散乱電子を生成し、トポグラフィーと組成をマッピングする。

ビーム-試料信号からの微量分析

電子ビームは、存在する元素を特定する特性X線とエネルギー損失信号を励起するため、顕微鏡は画像と同じ微細スケールで組成をマッピングでき、構造と化学を点ごとに結びつけることができる。

Mechanisms

光よりはるかに短い波長を持つ加速された電子は、回折と画像コントラストを与える弾性散乱と、X線とエネルギー損失信号を生成する非弾性散乱によって試料と相互作用する。これらの信号を収集することで、ナノメートルから原子分解能での画像と組成マップが生成される。

Clinical relevance

電子顕微鏡は、材料特性を制御する微細構造（結晶粒、相、界面、欠陥）を明らかにし、相と汚染物質の組成と分布を特定し、加工と破壊を診断するため、材料化学と工学全体における中心的なツールとなっている。

History

ルスカは1930年代初頭に最初の透過型電子顕微鏡を構築し、光学顕微鏡の分解能を超え、フォン・アルデンヌはその後すぐに走査型電子顕微鏡を開発した。それ以来、レンズ、検出器、収差補正における数十年にわたる改良により、材料特性評価において日常的な原子分解能イメージングと微細スケール微量分析が可能になった。

Key figures

• Ernst Ruska
• Manfred von Ardenne

Seminal works

• williams2009
• goldstein2018

Frequently asked questions

なぜ電子顕微鏡は光学顕微鏡よりもはるかに小さいものを見ることができるのですか？

分解能はプローブの波長によって制限されます。高エネルギーに加速された電子は、可視光よりも数千倍短い波長を持つため、電子顕微鏡は光では見えないナノメートルスケール、あるいは原子スケールまでの特徴を分解できます。

電子顕微鏡はどのようにして存在する元素を識別するのですか？

ビームが試料に当たると、内殻電子が叩き出され、原子は各元素に特徴的なエネルギーのX線を放出します。これらのX線と、しばしば電子エネルギー損失信号を検出することで、顕微鏡は画像と同じ微細スケールで元素を識別し、マッピングすることができます。