さらに深く：透過型電子顕微鏡（TEM）と走査型電子顕微鏡（SEM）の違い

2023-06-30

透過型電子顕微鏡（TEM）と走査型電子顕微鏡（SEM）は、現代の科学研究に欠かせないツールである。光学顕微鏡に比べて電子顕微鏡は解像度が高く、電子線と物質との相互作用によって発生する信号を利用することで、試料の微細構造を高解像度と高倍率で観察・研究することができる。電子顕微鏡は、研究者が他の方法では得ることが難しい重要な情報にアクセスすることを可能にする。

透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡は、材料科学、生物学、ナノテクノロジーなど多くの分野で重要な役割を果たしている。本稿では、透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡の動作原理、撮像モード、応用分野を比較し、読者が自身の研究分野に適した装置を選択できるようにする。

透過型電子顕微鏡とは？

透過型電子顕微鏡（TEM）は、電子ビームの透過性を利用して試料の内部構造や細部を観察する高分解能顕微鏡である。光学顕微鏡とは異なり、TEMは光ビームではなく電子ビームを使用する。電子は波長が短く、光ビームの回折限界の性質を克服できるため、より高い解像度が得られるからである。

透過型電子顕微鏡の仕組み

透過型電子顕微鏡（TEM）は、電子の波動と粒子の二重性に基づいて動作する。TEMでは、電子銃から電子が発生し、一連のレンズ系を通して集束される。試料はTEMの試料室に置かれ、電子ビームは試料を通って投影室に入る。投影室では、電子ビームは試料と相互作用し、電子の一部は試料によって散乱され、他の電子は試料を通過する。透過型電子顕微鏡（TEM）は通常、走査型電子顕微鏡（SEM）よりも分解能が高い。これは、TEMが透過電子を使用して画像を形成するためで、電子は波長が短いため、TEMはより小さな細部を観察し、高分解能で試料の画像を作成することができる。

透過型電子顕微鏡の強みは、その高分解能と内部構造の可視化能力にある。透過電子顕微鏡は原子レベルの分解能を持つため、科学者は物質の結晶構造、原子配列、格子欠陥の詳細を研究することができる。透過型電子顕微鏡は、材料科学、ナノテクノロジー、生物学、化学などの分野で広く利用されている。

走査型電子顕微鏡とは？

走査型電子顕微鏡（SEM）は、電子ビームと試料の相互作用を利用して試料の表面形態や組成を観察・分析する高分解能顕微鏡である。従来の光学顕微鏡とは異なり、SEMは光ビームの代わりに電子ビームを使用し、散乱信号と検出信号を用いて画像を生成する。

SEMはどのように機能するのか？

SEMの動作原理は、電子と試料の相互作用に基づいている。電子ビームは電子銃から発生し、ビームサイズ制御と試料走査のための一連の集束・走査システムを通過する。電子ビームが試料表面に衝突すると、試料と相互作用した電子が二次電子、反射電子、散乱電子、X線などのさまざまな信号を発生する。

SEMは、試料表面を走査し、各位置で信号を取得することにより、試料全体の画像を徐々に作成する。この画像は高い解像度と表面トポロジーの詳細を持ち、試料の形態、テクスチャー、粒子分布、組織構造などの特徴を分析するために使用できる。

透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡の違い

	走査型電子顕微鏡（SEM）	透過型電子顕微鏡(TEM)
電子式	散乱走査電子	透過電子
結像	電子は捕獲され、検出器でカウントされる。パソコンの画面に表示	電荷結合素子(CCD)を使用し、蛍光スクリーンまたはPCコンピューター画面上で直接撮影
画像情報	表面の三次元画像	2次元内部構造の投影画像
最大倍数	約1～2百万回	5000万回以上
最適な空間分解能	約0.5 nm	午後50時未満
最大視野	大きい	制限付き
サンプルの厚さ	制限なし	通常 <150 nm
圧制的	1-30 kV	60-300 kV
操作難易度	使いやすく、サンプル前処理はほとんど必要ない	使い方が簡単ではなく、使用前にサンプルの前処理とトレーニングが必要。
(製造原価	安い	より高い
テンポ	切れる	ゆっくり

どの電子顕微鏡が良いのか？

お客様に適した電子顕微鏡技術を選択する際、最適な選択を決定するために考慮すべきさまざまな要素があります。ここでは、その判断に役立つ考慮事項をいくつかご紹介します：

分析の目的

最初のステップは、分析の目的を決めることです。分析の種類によって、適した電子顕微鏡技術は異なります。試料の粗さや汚れの検出など、試料の表面の特性評価に関心がある場合は、走査型電子顕微鏡（SEM）の方が適しているかもしれません。試料の結晶構造を理解し、構造欠陥や不純物を検出したい場合は、透過型電子顕微鏡（TEM）の方が適しているかもしれません。

画像タイプ

SEMは試料表面の詳細な3次元画像を提供し、TEMは試料内部構造の2次元投影画像を提供します。試料に必要な情報と、画像を解釈する能力を考慮する必要があります。3D画像に慣れているのであれば、SEMの方が適しているかもしれません。しかし、TEMの二次元投影画像は解釈がやや難しいことに留意すべきである。

サンプルの種類

SEMは固体、液体、生体試料に適しているのに対し、TEMは主に固体試料に使用され、液体試料を観察するために窒化ケイ素膜の窓で試料を封入することもできる。非導電性試料の場合、SEMでの観察用に導電性を向上させるための追加処理（金属コーティングなど）が必要になる場合があります。さらに、生体試料はTEMで特殊な硬化処理とスライス処理が必要です。

サンプルの準備

SEM試料は一般的にほとんど、あるいはまったく前処理を必要とせず、SEMは試料サイズに柔軟性があり、イメージング用に試料ステージに直接取り付けることができる。対照的に、TEM試料は前処理が非常に複雑で、操作には経験と訓練を積んだユーザーが必要です。試料は150nm以下、あるいは30nm以下と非常に薄く、調製プロセス中にアーティファクトや不要な変動をもたらすことなく、可能な限り平坦でなければなりません。このため、TEM試料作製には、より多くの時間と熟練した技術が必要となります。

決議要件

分析ニーズによっては、画像の解像度に特定の要件がある場合があります。この点で、TEMは通常SEMよりも高い分解能を有しています。高解像度のイメージング、特に微細構造の観察が必要な場合は、TEMの方が適しているかもしれません。