解説 電子顕微鏡室ってどんなとこ？ 今 井 崇 人 Takahito IMAI 理工学部物質化学科 実験助手 Laboratory Assistant, Department of Materials Chemistry りも小さなものをその装置で観察することはできま 1．はじめに せんが，装置の倍率を上げることは理論的に可能だ 2010 年 1 月より電子顕微鏡室に実験助手として からです．このような無意味な倍率を無効倍率とい 着任しました今井崇人です．私は龍谷大学の物質化 うそうです．このことを踏まえて上であえて倍率で 学科の卒業生で，某分析会社にて透過型電子顕微鏡 話をされる方もおられます．分解能よりも倍率で話 （TEM : Transmission Electron Microscope）の試料作 をした方が理解を得やすいようです． 製から観察・分析を業務としていました．その後， 肉眼の分解能よりも小さなものを観察するために ご縁がありまして龍谷大学のお世話になることとな 古くから可視光を用いた顕微鏡，いわゆる光学顕微 りました． 鏡が用いられてきました．その歴史は古く数百年の 今回の理工ジャーナルでは，電子顕微鏡について 歴史があります．しかしながら，どのような高精度 少し解説をさせていただいた上で，実際に龍谷大学 の装置を用いても，光源波長の半分より小さなもの の電子顕微鏡室がどのような施設であるかを紹介さ を観察することは理論上不可能です．そのため，可 せていただきたいと思います． 視光を用いる光学顕微鏡では約 100 nm が理論上の 分解能と言われています． 2．光学顕微鏡 100 nm よりも小さなものを観察するためには可 個体差が比較的大きいのですが，人間の肉眼にお 視光よりも波長の短い光源が必要でした．それはジ ける分解能はおおよそ 100∼300 μ m といわれてい ョセフ・ジョン・トムソンによる電子の発見とド・ ます． ブロイによる電子の波動性の発見まで待つこととな ここで分解能という言葉が出てきましたので，分 解能について解説をします．分解能というのは，2 つの点を 2 つの点として認識できる最短の距離を表 ります． 3．電子顕微鏡（EM : Electron Microscope） す指標であり，顕微鏡を評価する指標の一つです． EM は 1930 年代の前半にベルリン工科大学のエ よく，顕微鏡の性能を倍率で表したりしますが，厳 ルンスト・ルスカらによって開発をされました．こ 密には正しくありません．これは，装置の分解能よ のとき開発された EM は TEM です．EM には大き ― １１ ― く分けて TEM と走査型電子顕微鏡（SEM : Scan- ソードルミネッセンス，吸収電流や特性 X 線など ning Electron Microscope）の 2 種があります．SEM から像を取得することが可能です． は 1930 年代の後半にマンフレート・フォン・アル また，特性 X 線を用いて元素分析を行うことも デンヌにより開発されました．これらの EM の登 可能です．元素分析は検出器によりエネルギー分散 場によりナノスケールの研究開発がこの後，飛躍的 型 X 線分析（EDS : Energy Dispersive x-ray Spectros- に進むこととなります． copy）と波長分散型 X 線分析（WDS : Wave-length 近年では多くの大学や企業などの研究機関に何ら Dispersive x-ray Spectrometer）の 2 種があります． かの EM が導入されています．これらのほとんど WDS を主目的とした SEM を電子プローブマイク は SEM であり，TEM は SEM ほど普及していませ ロアナライ ザ （EPMA : Electron Probe MicroAna- ん．その理由の一つとしては価格が考えられます． lyzer）と呼ぶことがありますが，EDS が付いた SEM SEM は 卓 上 タ イ プ の 簡 易 な も の か ら 電 界 放 出 も EPMA と呼ぶことがあります． （FE : Field Emission）タイプのものまで，おおよ 一般的に EM は電子の直進性を確保するため， そ，数百万から数千万円です．それに対して TEM 装置内は真空環境下にあります．これは SEM も は数千万から数億円もします．中には超高圧電顕と TEM も同じです．そのために観察対象となる試料 呼ばれる，顕微鏡のために建物が一つ必要なものも が真空中でガスを放出しないように，乾燥などの工 あります．また，試料作製の困難さなどの画像取得 夫が必要となる場合がほとんどです．また，試料に までの技術的な難易度や，実際に得られた結果解析 対して電子を照射し続けるので，試料に導電性が必 の難しさなども一因であると考えられます．また， 要となります． SEM でも TEM でも FE タイプは非常に高性能です 最近では低真空環境下での観察が行える低真空 が，電子線源が数百万と非常に高価で敷居を高くす SEM や試料自体は大気圧下のままで観察を行える る要因となっています． SEM も出てきています． それでは SEM や TEM で具体的にどのようなこ とができるのかを紹介したいと思います． 5．TEM TEM は試料に対して数百 kV から数 MV の加速 4．SEM 電圧により加速された電子線を極めて薄く調整され SEM は試料に対して数百 V から数十 kV により た試料に照射し，試料を透過した電子を観察しま 加速された電子線を数 nm から 100 nm 程度に細く す．しかしながら，肉眼では電子を見ることはでき 絞って照射し，試料と電子との相互作用により放出 ないので蛍光板，銀塩フィルムイメージングプレー される 2 次電子を検出して明暗として表示します． トや電荷結合素子（CCD : Charge coupled Device） この動作を走査することにより表示装置に画像を表 を用いて像を観察します． 示します．SEM はこのように検出器により得られ TEM は単に像を得るための装置ではなく結晶学 た情報を明暗として表示するためモノクロ画像とな 的情報を得ることが可能です．これは電子回折と呼 ります． ばれる現象ですが，もともと TEM は電子の波動性 ちなみに，2 次電子は試料の極表面から発生した を利用して得られた回折をフーリエ変換することに 2 次電子しか放出されないため，表面の情報を知る より結像しています．そのため，結晶構造を反映し のに適しています．そのため，SEM は表面の凹凸 た像が得られます．その上，数Å（オングストロー 情報を得るのに適しています．2 次電子以外にもオ ム）という非常に小さい分解能を有するため，格子 プションの検出器を用いることにより反射電子，カ 像や高分解能像と呼ばれる原子オーダーでの像観察 ― １２ ― が可能です．ここで注意が必要なことがあります． それは，TEM では電子線と試料を構成する原子が もつ電子との相互作用により像を得ます．そのた め，厳密には，原子そのものを見ているわけではあ りません． TEM も試料と電子の相互作用を利用しています ので，SEM と同じように，特性 X 線が発生してい ます．そのため，検出器を付ければ SEM と同じよ うに元素分析が可能となります．現状では構造上の 問題で EDS しか取り付けることはできませんが試 料が非常に薄いことと数 nm まで絞った電子線を用 図1 JSM-T 330 A（JEOL 社製 EDS 検出器付） いることによりナノオーダーでの元素分析が可能で す．また走査透過電子顕 微 鏡 （ STEM : Scanning Transmission Electron Microscope）と併用すること により特定部位の分析や元素マッピングも可能で す． その他にも結晶性に依存せず原子番号や密度差を 明暗に表示する高角度散乱暗視野（HAADF : HighAngle Annular Dark Field）や結合状態など電子状態 をスペクトルとして得られる電子エネルギー損失分 光法（EELS : Electron Energy Loss Spectroscopy）な どがオプションとして存在しています． 図2 最近では球面収差補正装置が登場し，近年伸び悩 JSM-5200（JEOL 社製） んでいた分解能が大幅に向上しました．これにより 一原子列からの元素分析が可能となりました． 龍谷大学の電子顕微鏡室で最古参の SEM です． ここまでは大まかに装置の説明をしましたが，い よいよ龍谷大学の電子顕微鏡室の紹介をします． EDS 検出器を用いた元素分析が可能です．歴史を 感じさせる緑色 CRT モニタですが，画像取得用 PC にライブ画像を白黒表示させることも可能です． 6．電子顕微鏡室の電子顕微鏡 次に紹介するのは図 2 左側の JSM-5200 です．こ 龍谷大学の顕微鏡室は理工学部の施設であり，運 の機種も緑色 CRT です．この機種が入門用 SEM 営委員会と専門委員会からなります．理工学部の学 となっていますので，学部生が最初に使う機種とな 生で研究室に所属している学生は，講習を受けた ります．図 2 右側の装置は画像解析装置です．PC 98 後，使用することが可能です．現状，電子顕微鏡室 によるソフトなので CUI です．最近の Windows な には SEM が 4 台あり，TEM は 2 台あります．す どの GUI 環境しか使ったことがない人にはカルチ べての SEM には反射電子の検出器が付いていま ャーショックかもしれません． す．また，すべての TEM には STEM が付いてい ます． 図 3 の JSM-5410 は，前の 2 機種とは異なり，白 黒 CRT モニタの機種です．この装置にも EDS 検 最初に紹介するのは図 1 の JSM-T 330 A です． 出器による元素分析が可能です．また，EDS 制御 ― １３ ― の PC が WindowsPC になっています．この機種の 特徴として元素マッピングを取得することが可能で す． 図 4 の JSM-6301 F はほかの 3 機種の SEM とは 異なり FE 電子銃を電子線源に持つ SEM です．熱 電子銃はタングステンなどの金属フィラメントに電 流を流し，ジュール熱によって十分に加熱されると エジソン効果により電子が放出されます．それに対 して FE 電子銃は非常に鋭利な単結晶 W などに電 圧を印加しトンネル効果やショットキー効果により 電子を放出させます．FE 電子銃のメリットとして， 電流量が低い，輝度は非常に高い，電子線を極めて 小さく絞れる，エネルギー分解能が高いという点が 挙げられます．簡単に言うと熱電子銃の SEM より も分解能が良い上に明るく見やすい像が得られると 図3 JSM-5410（JEOL 社製 図4 図5 JEM-3000 F（JEOL 社製 図6 JEM-2100（JEOL 社製 EDS 検出器付） EDS 検出器付） JSM-6301 F（JEOL 社製） ― １４ ― EELS 検出器付） いうことです．数十 nm の観察を行う場合は FESEM 影響を受けずに微細な凹凸を強調する観察方法で がお勧めです． す．研磨による面出しの試料に適しています．起伏 図 5 の JEM-3000 F は加速電圧が 300 kV の FE に富んだ部位の観察には適しません．右下の図も反 電子銃タイプの TEM です．龍谷大学が所有する最 射電子像の 1 種である Compositional Image（組成 も分解能の良い顕微鏡です．その分解能は約 1.2Å 像）です．表面の起伏状態に影響されず，構成する です．また EDS 検出器によるナノオーダーでの元 原子の平均原子番号に依存したコントラストで観察 素分析が可能です． することができます． 図 6 の JEM-2100 は龍谷大学の電子顕微鏡室では 図 7 の写真は，二次電子像でははっきりとわから 最も新しい EM です．最近の EM は SEM,TEM 問 ない情報を，反射電子像を用いることにより明確な わずに PC 操作が主流となっており，その例に漏れ 情報にしています．特に組成像では視野内に構成元 ずこの TEM も PC によって操作をする PC-TEM と 素の異なるドメインがあることを示しています．し なっています．この装置の最大の特徴は EELS の かしながら，組成像では構成元素の違いがあること 測定と CCD による画像の取得です．残念ながら は認識できますが，具体的な構成元素は特定できま EELS の検出器と CCD が兼用のため電子回折はフ せん． 具体的に試料を構成する元素を特定するには特性 ィルムによる撮影となります． X 線を用いた EDS 分析が有用です．特に元素マッ 7．電子顕微鏡の活用例 ピングでは構成元素の濃度が視覚的にわかるので違 紹介をしました装置を使って実際に観察した像や 分析例を紹介します． いを明確に表現することが可能です．図 8 は図 7 と 同じ試料かつ，同じ視野での元素マッピングの結果 図 7 の写真は石の断面 SEM 像です．3 種類の像 です．明確に構成元素が異なることがわかります． があります．すべて，同じ試料の同じ部位を同じ また，図 7 の組成像もこのことを反映していること SEM で観察したものです．左上の写真は 2 次電子 が分かります． 像で，いわゆる SEM 像です．凹凸情報や原子番号 この結果は元素マッピングでなくとも各部位の元 情報などを含み，導電不足による影響を最も受けや 素分析を行えばスペクトルとして構成元素を知るこ すい像です．右上の写真は反射電子像の 1 種である とができます．スペクトルとして情報を得る方が， Topographic Image（凹凸像）です．原子番号による 短時間で効率は良いです．しかしながらスペクトル MAG X100 ACCV 20kV WIDTH 1.32mm 上左：2 次電子像 上右：反射電子像（凹凸像） 下右：反射電子像（組成像） 図7 石の断面 SEM 像 図8 ― １５ ― 石の元素マッピング だけではある程度の知識がないとはっきりと判断す は図中左側の明視野と図中右側の暗視野がありま ることができない場合があります．そのようなとき す．特に暗視野の 1 種である HAADF では分析対 に視覚的に訴えることができるのは一つの強みにな 象となる個所を探し出すのに大変有効的な手法で ります． す． 図 9 はペプチド線維の TEM 像（左側）及び FESEM 像（右側）です．このペプチド線維は非常に 8．最後に 微小で約 20 nm 程度の太さです．TEM 観察時には 顕微鏡業界ではよく言われていることですが，良 コントラストをつけるために金属による電子染色を い写真を得るためには試料作製が 8 で撮影技術が 2 施しています．このような非常に微細な試料を観察 と言われています．どんなに撮影技術が高くとも， するには通常の SEM では困難であり，多くの場合 試料作製を満足に出来ていないと良い写真は取れな は TEM を用いて観察することになります．しかし いということです．非常に残念な話ですが，あの装 ながら FESEM のような高分解能を有する SEM の 置は性能が悪いという評価を聞く場合があります 場合は図 9 のように微小な線維をしっかりと確認す が，多くの場合は試料作製が十分でないことがほと ることが可能です．FESEM 像の場合は電子染色の んどです．特に，高度な観察手法を用いたり，高分 必要がありません．しかしながら，導電性確保のた 解能を要求したりする場合は，より高い完成度が求 めに数 nm から数十 nm 程度の金属コートが必要と められます． なる場合があります．図 9 の右側 SEM 像に粒子の 実際にうまく観察ができなかった場合には，一 ようなものが確認されますが，これは金属コートに 度，作製方法に問題が無かったのか検証することが 用いた Au です． 大切です．また，顕微鏡では観察方法や試料毎に適 図 10 はマイクログリッド貼り付けメッシュに した試料作製法が存在します．つまり，非常に多く Au をスパッタした試料の STEM 像です．STEM に の試料作製法が存在することになります．その上， 適合していない作製方法では満足な結果を得ること はできません． 試料作製の方法が良くわからない．うまく観察が できない．この様な場合には，気軽に相談してくだ さい．解決の糸口や，問題点についてアドバイスを できると思います． 龍谷大学には今回紹介しました装置があります． 図9 微小ペプチド線維 その他にも試料作製用の装置もあります．今まで使 用したことがない方もひょっとすると有効的な使い 方があるかもしれません．是非一度，電子顕微鏡室 に足を運んでみてください． 謝辞 理工ジャーナルの執筆に際し，データを提供いた だきました白神研究室および富崎研究室に感謝いた します． 図 10 金スパッタ粒子の STEM 像 ― １６ ―
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