Description

Schéma d'un MET.

Un microscope électronique en transmission est composé des principaux éléments suivants :

• d'un canon à électrons, qui fournit le faisceau électronique ;
• de lentilles magnétiques ;
• d'un système de détecteurs d'électrons.

Ces éléments sont placés dans un vide variant de 10⁻⁷ mbar pour le détecteur CCD à 10⁻¹⁰ mbar pour la source d'électrons. Le microscope peut être équipé d'un détecteur de rayons X pour effectuer des analyses dispersives en énergie (EDXS, pour energy-dispersive X-ray spectroscopy)

Autour du microscope se situe un réservoir d'azote liquide, qui sert à refroidir une certaine zone près de l'échantillon. De cette manière, les impuretés présentes dans le vide se condensent dans cette zone, et ne contaminent pas l'échantillon. Un second réservoir sert à refroidir le détecteur de rayons X, si le microscope en est équipé.

D'après l'hypothèse de Louis de Broglie dans l'hypothèse relativiste, les électrons possèdent une longueur d'onde donnée par^[20] :

${\displaystyle \lambda _{e}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}e\,U\left(1+{\dfrac {e\,U}{2E_{0}}}\right)}}}}$

où ${\displaystyle h}$, ${\displaystyle e}$, ${\displaystyle m_{0}}$ et ${\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2}=511{\text{ keV}}}$ sont respectivement la constante de Planck, la charge, la masse et l'énergie au repos de l'électron. Cette relation donne la longueur d'onde des électrons à partir de la tension d'accélération ${\displaystyle U}$^[21] :

U (kV)	v/c	${\displaystyle \lambda }$ (pm)
100	0,548	3,70
300	0,776	1,97
1000	0,941	0,87

Canon à électrons

Le faisceau d'électrons est produit au moyen d'un canon à électrons. La stabilité et la brillance ont une importance particulière dans la qualité des mesures effectuées. Le canon doit extraire les électrons d'un matériau puis les accélérer. Il existe plusieurs types de source à électrons :

• l'émission thermoïonique, avec les filaments de tungstène et pointes d'hexaborure de lanthane ;
• l'émission par effet de champ ;
• la source Schottky à émission de champ, de plus en plus employée, qui a un principe de fonctionnement intermédiaire.

Selon les systèmes, le faisceau d'électrons sera plus ou moins cohérent, c'est-à-dire que les électrons seront plus ou moins en phase. Une bonne cohérence permet une meilleure résolution des images.

Un canon à émission thermoïonique consiste en une pointe de métal en forme de V, qui est chauffée à haute température par circulation d'un courant, jusqu'à ce que les électrons présents dans le métal atteignent le travail de sortie. Simultanément une différence de potentiel très importante (entre 20 kV et 300 kV généralement) est appliquée. Les électrons qui sont sortis du métal sont accélérés par le potentiel de l'anode en direction de l'échantillon. D'une manière générale le canon à chauffage ne donne pas un faisceau très cohérent. Cela est dû au fait que la vitesse, et donc l'énergie cinétique des électrons émis, suit une distribution gaussienne. Il en découle une aberration chromatique. Il existe des filaments en tungstène, sur d'autres il est ajouté au filament un cristal d'hexaborure de lanthane. Ces derniers sont beaucoup plus chers mais fournissent une meilleure cohérence.

Un canon à émission de champ (en anglais Field Emission Gun ou FEG) est constitué d'une pointe de tungstène cristallin d'environ 100 nm pour les cold FEG et de 0,5 µm pour les FEG Schottky. L'extraction des électrons ne s'effectue pas par chauffage, mais en appliquant un champ électrique intense (≈ 10⁷ V/cm et ≈ 4 kV). Cette source est caractérisée par une faible variabilité énergétique, et une bonne cohérence. Cependant elle nécessite un vide extrêmement poussé (de l'ordre de 10⁻¹⁰ mbar). Dans le cas contraire, la pointe du canon s'oxyde et l'effet d'émission chute drastiquement. Cette exigence en fait des machines très coûteuses et délicates. À signaler que les pointes sont recouvertes d'une couche de ZrO₂ qui mouille la pointe et permet de diminuer le travail de sortie des électrons.

Vide

Les électrons se déplacent, ici, dans le vide. Pour permettre cela, le microscope est donc équipé d'un système de vide (Pompe à vide, jauges, electrovannes). Le vide créé est un vide de l'ordre de 10^-6 mbars pour les filaments de tungstène et peut atteindre jusqu'à 10^-10 mbars dans les canons FEG. Pour générer ces vides on utilise :

• une pompe primaire (palette, scroll...) ;
• une pompe secondaire (diffusion d'huile pendant longtemps , mais on utilise de plus en plus des pompes turbomoléculaires) ;
• des pompes ioniques pour les FEG et parfois pour les LaB6.

Les pompes à palettes et les pompes à diffusion utilisent de l'huile et présentent le défaut de contaminer l'échantillon et parfois le microscope avec des hydrocarbures. C'est pourquoi on leur préfère de plus en plus les pompes sèches (scroll et pompes turbomoléculaires) même si celles-ci sont plus exigeantes et plus chères en maintenance.

Ces pompes nécessitent d’être refroidies (toujours pour les pompes à diffusion, parfois pour les pompes turbomoléculaires) par un circuit d'eau.

Système de focalisation

Dans un microscope électronique en transmission, ce sont des lentilles magnétiques qui sont utilisées pour focaliser le faisceau électronique, car les lentilles électrostatiques ne sont pas adaptées pour les tensions élevées^[22]. En effet, des tensions de centaines de kilovolts doivent être disposées au plus près possible les unes des autres, ce qui pose des problèmes d'isolation électrique^[23].

Une lentille magnétique consiste en une bobine parcourue par un courant. Le mouvement des électrons dans les lentilles est alors régi par la force de Lorentz ${\displaystyle {\vec {F}}=-e{\vec {v}}\wedge {\vec {B}}}$. Le travail effectué par cette force est nul, cela signifie que les électrons ne perdront pas d'énergie et seront seulement déviés lors de leur passage dans le champ magnétique.

Ces lentilles peuvent être alimentées par des courants de plusieurs ampères et nécessitent donc d'être refroidies. Ce refroidissement est également indispensable pour la stabilité de l'appareil et la qualité des images. L'eau provient généralement d'un circuit d'eau thermostaté. Cet ensemble de lentilles présente l'avantage de pouvoir changer la focalisation simplement en changeant le courant passant dans les bobines. Malgré ces différences avec les lentilles optiques, les lois de l'optique géométrique peuvent être appliquées.

Aberrations

Si le microscope électronique en transmission était parfait, sa résolution serait de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des électrons. Pour des électrons accélérés à environ 100 kV, elle serait de l'ordre du picomètre (10⁻¹² m). Cependant l'optique électronique est bien moins efficace que l'optique photonique et contient des aberrations pouvant être classées en trois groupes suivant leurs origines ^[24] :

• aberrations géométriques, comme l'aberration sphérique et l'astigmatisme ;
• aberrations chromatiques, dues aux faibles variations de l'énergie du faisceau autour d'un certaine valeur, il n'est pas monochromatique ;
• aberrations de charge d’espace, dues aux répulsions coulombiennes dans le faisceau.

Le faisceau n'est pas monochromatique pour plusieurs raisons. Le canon à électrons fournit un faisceau avec une certaine variation chromatique, c'est-à-dire que les électrons émis ont une énergie qui varie autour d'une certaine valeur. Suivant les sources d'électrons, cette variation est plus ou moins grande, les sources FEG ont en général une dispersion en énergie plus faible^[24]. La tension d'accélération des électrons peut aussi fluctuer dans le temps. De plus, lorsque le faisceau traverse l'échantillon, il se produit des diffusions inélastiques dans l'échantillon, ce qui peut produire des pertes de plusieurs centaines d'électrons-volt.

À la différence de l'optique photonique, il se produit des interactions entre les électrons dans le faisceau, dus à l'interaction coulombienne. Si le faisceau est très intense, cela produira des aberrations de charge d'espace qui ne concernent généralement pas les MET.

De plus, il faut que le vide dans la colonne soit très bon, sinon, il se produit des interactions entre le faisceau électronique et les molécules résiduelles du vide. Cela a pour conséquence de modifier l'énergie des électrons et donc d'augmenter l'aberration chromatique et de perturber la trajectoire concernée. Ceci nécessite pour les MET un vide meilleur que 10⁻⁸ Torr.

La résolution pratique est de quelques angströms. Elle est en général limitée par l'aberration sphérique, sauf pour les microscopes possédant un correcteur d'aberration sphérique, où elle est alors limitée par l'aberration chromatique.

Diffusion élastique

Le processus de diffusion élastique des électrons par les atomes constitue la contribution majeure à la formation du contraste des images. Il est décrit par la section efficace et le libre parcours moyen de la diffusion Rutherford, qui est due aux interactions coulombiennes.

La section efficace, qui représente la probabilité d'interaction pour un angle ${\displaystyle \theta }$ est donnée par :

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} \sigma }{\mathrm {d} \Omega }}={\frac {e^{4}Z^{4}}{4(4\pi \epsilon _{0})^{2}m_{0}^{2}v^{4}\sin ^{4}({\frac {\theta }{2}})}}}$

où ${\displaystyle Z}$, ${\displaystyle \epsilon _{0}}$ et ${\displaystyle v}$ sont respectivement le numéro atomique de l'atome diffusant, la permittivité du vide et la vitesse de l'électron, et ${\displaystyle \mathrm {d} \Omega }$ l'élément d'angle solide.

Les processus intervenant près du noyau, conduisent à de grands angles de déviation (environ 10⁻² radian) car la force de Coulomb entre le noyau et l'électron est plus importante. Les petits angles de diffusion correspondant à des distances plus éloignées de l'atome diffusant, l'électron interagit alors principalement avec un électron lié à l'atome. Ces deux électrons interagissant ayant la même masse, ils peuvent alors échanger facilement de l'énergie, et ainsi réaliser des diffusions inélastiques^[27].

Diffusion inélastique

Les diffusions inélastiques ont principalement lieu dans les petits angles de diffusions (environ ${\displaystyle 10^{-4}}$ à ${\displaystyle 10^{-3}}$ radian), et conduisent à un changement de la longueur d'onde du faisceau électronique. Ces diffusions ne contribuent pas à l'imagerie haute résolution, mais l'énergie perdue par les électrons du faisceau est utilisée pour analyser la matière.

Mode diffraction

Schéma des rayons dans le faisceau électronique.

Au lieu de s'intéresser à l'image formée, on peut s'intéresser à la diffraction des électrons. En se plaçant dans le plan focal du faisceau et non plus dans le plan image (simplement en changeant la tension dans les lentilles magnétiques), on obtient la figure de diffraction, semblable aux clichés de Laue obtenus en diffraction de rayons X. On peut ainsi visualiser les directions dans lesquelles vont les électrons et ainsi caractériser les cristaux (organisation des atomes, orientation…).

Mode en champ clair

L'écran est placé dans le plan image. Un diaphragme d'objectif est placé dans le plan focal de manière à sélectionner uniquement le faisceau transmis en ligne droite par l'échantillon. Ce sont donc uniquement les électrons non diffractés qui formeront l'image sur l'écran. Les zones de l'échantillon diffractant fortement le faisceau apparaissent donc les plus sombres. En l'absence d'échantillon, 100 % du faisceau est transmis et l'image apparaît claire, d'où le nom : champ clair (bright field ou BF).

Il existe aussi un mode champ clair sans diaphragme. Dans ce cas, tous les faisceaux transmis et diffractés sont utilisés pour former l'image. Le contraste dépend alors du numéro atomique des constituants de l'échantillon. En effet, les électrons traversants l'échantillon peuvent subir des chocs élastiques et être déviés avec de grands angles. Ils ne sont alors pas détectés. La probabilité de subir un choc élastique augmente avec le numéro atomique (Z) des constituants de l'échantillon et l'épaisseur de l'échantillon. Les éléments lourds apparaissent donc plus sombres et les éléments légers plus clairs. De même, les zones de l'échantillon les plus épaisses apparaissent plus sombres et les zones plus fines plus claires. Ce mode d'imagerie offre un moins bon contraste que le mode champ clair avec diaphragme d'objectif. Cependant, il peut être utile, notamment en biologie où des marqueurs peuvent être utilisés pour mettre en évidence certaines parties de l'échantillon - voir par exemple le marquage Immunogold.

Mode en champ sombre

En plaçant un diaphragme dans le plan focal, on peut sélectionner un faisceau diffracté particulier pour former l'image. L'image est donc formée uniquement par les électrons diffractés à un angle particulier. Les zones de l'image qui diffractent à des angles différents apparaissent sombres. De même, en l'absence d'échantillon, tout le faisceau est transmis, il n'y a pas de diffraction et l'image est sombre, d'où le nom : champ sombre (dark field ou DF). Ce mode permet d'observer par exemple des défauts cristallins comme une dislocation puisqu'elle distord localement la maille du cristal et donc modifie l'angle de diffraction.

Microscopie à haute résolution

Ce mode d'imagerie consiste à observer la matière à l'échelle atomique. Certains électrons sont déviés (diffractés), d'autres sont transmis en ligne directe. Si l'on fait interférer un faisceau transmis en ligne directe avec un faisceau diffracté, on obtient une figure d'interférence. Les contrastes sur l'image obtenue sont donc directement corrélés au potentiel projeté de l'échantillon. Suivant la défocalisation et la taille de l'échantillon, cette corrélation change. Une simulation de la figure d'interférence est alors nécessaire pour interpréter l'image obtenue et dire si les colonnes atomiques sont situées sur les points blancs, noirs ou entre les deux. Il ne faut pas croire qu'une image HRMET est une simple photographie où les points blancs ou noirs sont des atomes. Ces images, après traitements, permettent tout de même de tirer des informations sur l'organisation cristalline ainsi que les défauts qui s'y trouvent, comme les joints de grain, dislocations, etc.

Analyse dispersive en énergie

L'analyse dispersive en énergie consiste à étudier les rayonnements X des atomes constituant l'échantillon. Le faisceau électronique traversant l'échantillon provoque l'ionisation d'atomes, et ces derniers émettent des rayons X lors de leur désexcitation. L'énergie du rayonnement émis est caractéristique de la nature chimique de l'échantillon et permet donc de faire une analyse élémentaire, c'est-à-dire de savoir quels sont les atomes présents dans l'échantillon.

Cette analyse peut être quantifiée à l'aide de modèles qui prennent en compte l'absorption, la fluorescence, les caractéristiques matérielles, etc. et qui permettent de connaître la proportion de chaque élément dans la zone observée. Cette analyse n'est cependant pas dépourvue d'artefacts, les détecteurs ne mesurant pas seulement les rayons X venant de la zone irradiée mais aussi des alentours^[28].

La résolution spatiale est de quelques nanomètres, ce qui permet alors d'effectuer des cartes de la composition. Cependant la résolution spectrale n'est pas aussi bonne qu'une analyse en perte d'énergie ou qu'une analyse dispersive en longueur d'onde, ceci est dû au principe de fonctionnement du détecteur^[29].

Spectroscopie des pertes d'énergie

Microscopie électronique en transmission à balayage

Cette technique (STEM de l'anglais scanning transmission electron microscopy) consiste à focaliser le faisceau électronique en une sonde électronique aussi petite que possible et à donner à cette sonde un mouvement de balayage. Cette technique est similaire à celle utilisée en microscopie électronique à balayage, sauf qu'ici le volume d'interaction est beaucoup plus petit, étant donné que l'échantillon est mince.

Les observations peuvent se faire en champ clair ou en champ sombre. Ce mode a plusieurs avantages :

• réduction des effets des aberrations, car il n'y a pas de formation d'image comme en mode image, mais une reconstruction point par point de l'image de l'intensité transmise ;
• haute résolution en champ sombre ;
• contrôle facile de la zone observée, utile pour des analyses EELS ou EDX^[30].

Il est possible de dresser une cartographie chimique de l'échantillon, soit en analysant les rayons X émis par les atomes sous l'effet des électrons, soit en effectuant des études spectrales des pertes d'énergie.

Holographie électronique

Schéma de l'holographie électronique « off-axis ». La source d'électrons (1) forme le faisceau, dont une partie traverse l'échantillon (2) et constitue ainsi l'onde image (3). L'autre partie du faisceau électronique sert d'onde de référence (4), qui va ensuite interférer avec l'onde image pour former l'hologramme (6), grâce au biprisme de Möllenstedt (5).

L'holographie électronique imaginé par Dennis Gabor en 1949^[31],[32] est une technique d'imagerie qui permet d'enregistrer les figures d'interférences (hologramme) formées par un objet. Cette technique permet alors de reconstruire les fronts d'ondes constituant le faisceau électronique, et d'en déduire la phase.

La réalisation pratique consiste à enregistrer l'hologramme entre l'onde de référence ${\displaystyle \Psi _{0}}$ et l'onde image de l'échantillon ${\displaystyle \Psi _{r}}$, c'est-à-dire l'onde qui a traversé l'objet. Cette opération peut être réalisée par holographie « off-axis » à l'aide d'un biprisme de Möllenstedt^[33] installé dans le plan image du microscope^[34]. Ce biprisme composé d'un fil auquel est appliquée une faible tension, permet de faire superposer une moitié du faisceau électronique (onde de référence) avec l'autre moitié ayant traversé l'échantillon (onde diffusée), et ainsi de former la figure d'interférence^[35].

L'intensité enregistrée sur l'hologramme est la somme de plusieurs termes : l'intensité de l'onde de référence ${\displaystyle \Psi _{0}}$, de l'onde image ${\displaystyle \Psi _{r}}$ et d'un terme d'interférence, composé de franges cosinusoïdales représentant l'amplitude locale ${\displaystyle A}$ et la phase locale ${\displaystyle \phi }$. L'intensité est donnée par^[36] :

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{holo}({\vec {r}})&=|\Psi _{0}+\Psi _{r}|^{2}\\\ &=1+A^{2}({\vec {r}})+2A({\vec {r}})\cos(2\pi {\vec {q}}_{c}{\vec {r}}-\phi ({\vec {r}}))\end{aligned}}}$

Cette méthode est utilisée pour étudier la répartition spatiale du champ magnétique et électrostatique à l'intérieur de l'échantillon avec une grande précision^[36].

Mode faible dose

Ce mode est optimisé pour l'observation d'échantillons sensibles aux électrons. Il est indispensable à l'étude d'échantillons biologiques observés dans un état hydraté vitreux. Il permet d'irradier au minimum la zone de l'échantillon que l'on veut micrographier. Le principe de ce mode est le suivant. À faible grossissement (environ 5 000 x), on sélectionne une zone d'intérêt dans l'échantillon. À ce grossissement, on n'irradie que très faiblement l'objet (la dose électronique est proportionnelle au carré du grossissement). À partir de ce positionnement, la zone d'exposition et la zone de mise au point sont définies. Elles sont distantes de quelques micromètres l'une de l'autre. La mise au point nécessite d'irradier l'échantillon pendant une durée de plusieurs secondes au grossissement final (typiquement 40 000 x). Cela détériore l'échantillon et c'est pourquoi on le fait à une certaine distance de la zone d'exposition. Cette dernière zone n'est irradiée au grossissement final que le temps d'enregistrer une micrographie (environ 1 seconde).

Échantillons organiques

En biologie, la lame mince s'obtient en faisant une coupe à l'aide d'un microtome. Une technique de microclivage a permis d'obtenir des profils de multicouches^[38].

De la même façon qu'en microscopie photonique appliquée à la biologie, on utilise souvent des colorants pour rehausser le contraste des détails d'un échantillon, il est possible en microscopie électronique d'utiliser des composés de métaux lourds comme l'osmium, le plomb ou l'uranium pour les fixer dans des zones d'intérêt, comme le noyau d'une cellule. Ces atomes lourds interagissent suffisamment avec les électrons pour les écarter de la partie du faisceau interceptée par le détecteur phosphorescent, faisant ainsi apparaître des taches sombres sur le détecteur.

Échantillons inorganiques

Amincissement

Image MEB d'un échantillon préparé pour une analyse MET avec une sonde ionique focalisée (FIB). La membrane mince dont l'épaisseur est d'environ 300 nm est acceptable pour une analyse MET, à condition de ne pas rechercher une très bonne résolution spatiale.

Pour les échantillons volumiques, la préparation se déroule en plusieurs étapes. D'abord une fine lamelle de 3 mm de diamètre est prélevée avec une scie à fil diamanté, puis celle-ci est préamincie à l'aide de techniques grossières utilisant des procédés mécaniques ou chimiques. La dernière étape doit être effectuée de manière plus précise afin de conserver des vastes zones très minces. Elle peut s'effectuer par bombardement ionique, où un faisceau d'ions Ar perce l'échantillon. Depuis quelques années, la technique la plus courante consiste en phase finale à faire un usinage avec une sonde ionique focalisée.

En ce qui concerne l'épaisseur critique d'un échantillon, il n'existe pas de critère simple de définition. Pour une bonne observation, le faisceau transmis doit conserver un degré satisfaisant de collimation et une dispersion énergétique réduite^[37]. En règle générale, l'épaisseur est comprise entre quelques dizaines et centaines de nanomètres^[39].

Notes

Références

Bibliographie

• Christian Colliex, La Microscopie électronique, 1998 [détail de l’édition] (lire en ligne)
• (en) L. Reimer, Transmission Electron Microscopy, 1993 [détail de l’édition]
• (en) C. Barry Carter, Transmission Electron Microscopy, 1996 [détail des éditions]
• (en) Ernst Ruska, The early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy, 1980 [détail de l’édition]
• (de) Lin Qing, Zur Frühgeschichte des Elektronenmikroskops, Stuttgart, Verlag für Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik, 1995, 163 p. (ISBN 3-928186-02-7, présentation en ligne)
• Ernst Ruska, The developpement of the electron and of electron microscopy, Nobel lecture, 8 décembre 1986 (lire en ligne)

Articles connexes

• Cryo-microscopie électronique
• Microscopie électronique à balayage
• Microscope électronique type M IV CSF, exposé à L'Aventure Michelin à Clermont-Ferrand et classé Monument historique à titre d'objet

Liens externes

• (en) Le fonctionnement d'un microscope électronique en transmission
• Cours en ligne Transmission Electron Microscopy and Crystalline Imperfections Dr. Eric Stach (2008).
• animations et explications sur les différents types de microscopes, dont le MEB et le MET (Université Paris Sud)