AFMとSEM

ナノテクノロジー、微生物学、エレクトロニクスなどの新しい技術の発展に伴い、より小さな世界を探求する必要性が急速に高まっています。顕微鏡は小さなものを拡大して見る道具であるため、解像度を上げるためのさまざまな顕微鏡技術の研究が行われてきました。第一世代の顕微鏡は、レンズを使って画像を拡大する光学的なソリューションでしたが、現在の高解像度顕微鏡はそれとは異なるアプローチをとっています。走査型電子顕微鏡（SEM）と原子間力顕微鏡（AFM）は、この2つの異なる手法をベースにしています。

原子間力顕微鏡

原子間力顕微鏡は、試料の表面をプローブで走査し、表面の性質によって上下に移動する。これは、目の不自由な人が指を動かして表面を理解するのと同じような概念です。原子間力顕微鏡の技術は、1986年にGerd BinnigとChristoph Gerberによって紹介され、1989年に商業的に利用されるようになった。

ダイヤモンドやシリコン、カーボンナノチューブなどの材料でできたチップを、片持ち梁に取り付けて使用します。チップを小さくすればするほど、撮像の分解能は高くなります。現在、ほとんどの原子間力顕微鏡はナノメートルの分解能を持っています。片持ち梁の変位を測定するために、さまざまな方法が用いられている。最も一般的な方法は、カンチレバービームに反射させたレーザー光を用いて、カンチレバービームの位置を測定する方法である。

AFMは機械的なプローブで表面を触るため、すべての面をプローブすることで試料の3次元画像を作成することができるのである。また、チップを使って試料表面の原子や分子を操作することも可能です。

走査型電子顕微鏡

SEMは、光の代わりに電子線を用いて画像を作成します。被写界深度が大きく、試料表面をより詳細に観察することができます。また、電磁石を使用することで、AFMの倍率をより自由にコントロールすることができる。

SEMでは、電子銃で電子ビームを発生させ、真空中に置かれた顕微鏡の垂直経路を通過させる。レンズ付きの電界と磁界で、電子ビームを試料に集束させる。電子ビームが試料の表面に当たると、電子とX線が放出される。この発光を検知・分析することで、材料の画像をスクリーンに表示することができます。SEMの分解能はナノメートルスケールであり、電子ビームのエネルギーに依存する。

SEMは真空中で動作し、また撮像時に電子を使用するため、試料調製時には特別な手順が必要です。

走査型電子顕微鏡の歴史は古く、1935年にマックス・クノールが初めて観察し、1965年に最初の商用走査型電子顕微鏡が発売された。