La microscopie électronique à balayage (MEB) 1ère année biologie lmd

Introduction

Le
pouvoir séparateur d'un microscope optique (i.e. son grossissement) est
limité par la longueur d'onde de la lumière visible ; aucun détail de
dimension supérieure à 0,2 µm ne peut être observé. Aussi l'utilisation
de particules accélérées de plus courte longueur d'onde associée
permet-elle d'augmenter le grossissement. Le choix d'électrons accélérés, pour produire un rayonnement de courte longueur d'onde, est déterminé par plusieurs critères :

la masse faible de ces particules qui peuvent être accélérées et focalisées au moyen de champ électrique ou magnétique

une source d'électrons est aisée à mettre en œuvre

les électrons sont plus facilement focalisés que les particules plus lourdes

l'interaction des électrons avec la matière est plus faible que pour des particules plus lourdes

Il existe deux types de microscopes électroniques :

à transmission
: ils ne permettent d'observer que des échantillons d'épaisseur
suffisamment faible pour être transparents aux électrons (quelques
dizaines de nanomètres)

à réflexion : opère à la surface d'objets massifs

Ces microscopes sont dits à balayage lorsque l'image est obtenue point par point (6 à 10 nm).

Historique

Le microscope électronique à balayage (MEB) a été imaginé pour la première fois en Allemagne, dans les années 1930, par Knoll et von Ardenne et développé par Zworykin, Hillier et Snyder dans les laboratoires RCA aux Etats-Unis (1940).

Mais
la microscopie électronique à balayage a connu son véritable essor
entre 1948 et 1965, grâce aux progrès techniques de la télévision et
des détecteurs d'électrons et grâce aux recherches d'Oatley
et de ses condisciples à Cambridge. Cette nouvelle technologie a
permis, du fait de sa profondeur de champ, l'observation du relief
d'échantillons massifs.

Principe

Le
principe du balayage consiste à explorer la surface de l'échantillon
par lignes successives et à transmettre le signal du détecteur à un
écran cathodique dont le balayage est exactement synchronisé avec celui
du faisceau incident.

Les microscopes à balayage utilisent un faisceau très fin qui balaie point par point la surface de l'échantillon.

Interactions du faisceau électronique avec l'échantillon

Sous
l'impact du faisceau d'électrons accélérés, des électrons rétrodiffusés
et des électrons secondaires émis par l'échantillon ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط])
sont recueillis sélectivement par des détecteurs qui transmettent un
signal à un écran cathodique dont le balayage est synchronisé avec le
balayage de l'objet.

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Figure 1. Représentation schématique
de l'interaction entre un faisceau d'électrons et la surface d'un échantillon

En pénétrant dans l'échantillon, le fin pinceau d'électrons diffuse peu et constitue un volume d'interaction ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط])
dont la forme dépend principalement de la tension d'accélération et du
numéro atomique de l'échantillon. Dans ce volume, les électrons et les
rayonnements électromagnétiques produits sont utilisés pour former des
images ou pour effectuer des analyses physico-chimiques. Pour être
détectés, les particules et les rayonnements doivent pouvoir atteindre
la surface de l'échantillon. La profondeur maximale de détection, donc
la résolution spatiale, dépend de l'énergie des rayonnements.

Figure 2. Poire de diffusion

Emission d'électrons secondaires :

arrachement
d'électrons par ionisation. Certains électrons incidents de faible
énergie (< 50 eV) sont éjectés de l'échantillon sous l'effet du
bombardement. Comme seuls les électrons secondaires produits près de la
surface sont détectés, ils formeront des images avec une haute
résolution (3-5 nm). Le contraste de l'image est surtout donné par le
relief de l'échantillon mais on peut également observer un contraste
chimique dans le cas de grandes différences de numéros atomiques.

Emission d'électrons rétrodiffusés :

les
électrons accélérés dans la colonne pénètrent dans l'échantillon. Un
parcours plus ou moins important dans la matière leur fait perdre une
fraction de leur énergie. La trajectoire suivie est aléatoire et ils
peuvent revenir vers la surface. Ils sont alors détectés après leur
sortie de l'échantillon. Du fait de leur plus grande énergie, les
électrons rétrodiffusés peuvent provenir d'une profondeur plus
importante et la résolution de l'image sera moins bonne qu'en électrons
secondaires (6-10 nm). Suivant le type de détecteur utilisé, les
électrons rétrodiffusés fournissent une image topographique (contraste fonction du relief) ou une image de composition (contraste fonction du numéro atomique).

Emission de rayons X :

le
faisceau d'électrons est suffisamment énergétique pour ioniser les
couches profondes des atomes et produire ainsi l'émission de rayons X.
La résolution spatiale d'analyse dépend de l'énergie de la raie X
détectée, de la nature du matériau, de la fluorescence secondaire. Elle
est en général supérieure au micromètre.

Emission d'électrons Auger :

ce
sont des électrons dont la faible énergie est caractéristique de
l'élément émetteur (utilisés pour l'analyse élémentaire) et du type de
liaison chimique.

Cathodoluminescence :

lorsque
des matériaux isolants ou semi-conducteurs sont bombardés par le
faisceau d'électrons, des photons de grande longueur d'onde
(ultraviolet, visible) sont émis. Le spectre obtenu dépend du matériau
étudié et de sa pureté.

Canalisation d'électrons :

la
pénétration du faisceau d'électrons dans un cristal est fonction de son
incidence par rapport à une famille de plans interréticulaires. Le
contraste des images en électrons rétrodiffusés donnera des
renseignements sur la structure cristalline du produit.

La [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] montre un spectre de distribution d'énergie selon le type d'électron émis.

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Figure 3. Représentation schématique de l'énergie de distribution
des électrons émis par un échantillon

Equipement

Le microscope électronique à balayage comporte :

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F igure 4. Représentation schématique d'un microscope

électronique balayage équipé d'un système de microanalyse de rayons X.

- Colonne

une source de rayonnement : canon à filament de tungstène ou d'hexaborure de lanthane (LaB₆)
; ce filament, parcouru par un courant électrique, émet spontanément
des électrons qui sont accélérés par un champ électrique leur conférant
une certaine énergie.

une « optique »
: diaphragme et lentilles électrostatiques ou magnétiques corrigées des
aberrations d'ouverture et chromatiques (réduction du diamètre du
faisceau et focalisation sur l'objet).

un système de balayage : bobines déflectrices qui commandent le point d'impact des électrons sur l'échantillon.

une platine porte-objet : permet le déplacement selon trois directions, la rotation dans son plan et l'inclinaison (variation de l'angle d'incidence).

des détecteurs d'électrons : reliés à un écran de visualisation et un système de prise de vues photographiques.

Ensemble électronique

des dispositifs d'observation et d'enregistrement : tubes cathodiques à écran rémanent ou non.

des sources de tensions continues ou variables

des dispositifs de commande : grandissement, contraste, focalisation, correction d'astigmatisme, vitesse et type de balayage...

Système d'analyse et de traitement des données

un programme d'analyse qualitative : identification des éléments chimiques détectés.

un programme d'analyse quantitative avec ou sans étalon: calcul de concentration

des cartes de répartition des éléments
: représentation de la localisation d'éléments par des niveaux de gris
ou des couleurs différentes (à chaque couleur un niveau de
concentration).

Paramètres influant sur la résolution des images

tension d'accélération des électrons ;

courant de sonde : plus il est élevé, plus le diamètre du faisceau est grand ;

distance
de travail : c'est la distance entre l'échantillon et la lentille
objectif. Plus la distance est courte, meilleure est la résolution. La
plus grande profondeur de champ est obtenue à grande distance de
travail.

Préparation des échantillons

L'échantillon,
placé dans la chambre du microscope, reçoit un flux d'électrons très
important. Si les électrons ne sont pas écoulés, ils donnent lieu à des
phénomènes de charge
induisant des déplacements d'images ou des zébrures sur l'image dues à
des décharges soudaines de la surface. Si la surface est conductrice, les charges électriques sont écoulées par l'intermédiaire du porte-objet. L'observation d'échantillons électriquement isolants
se fait grâce à un dépôt préalable (évaporation, pulvérisation
cathodique) d'une fine couche conductrice d'or ou de carbone
transparente aux électrons. On distingue deux types d'échantillons :

un objet massif
de petite taille peut être introduit dans la chambre du microscope, à
condition bien sûr qu'il soit conducteur car il est inimaginable de
métalliser une pièce de collection

un prélèvement effectué sans pollution, poli et nettoyé.

Applications
La
plupart des matériaux peuvent être étudiés au moyen du microscope
électronique à balayage. Les laboratoires de musées s'intéressent
particulièrement aux :

peintures
- examen et analyse de la matière picturale, sous la forme de coupes stratigraphiques
- caractérisation des couches, des inclusions, des feuilles métalliques sous-jacentes
- identification des grains de pigments par leur morphologie

céramiques et pierres
- observation et analyse des minéraux
- étude de la stratigraphie d'un décors de céramique (glaçures)

verres
- analyse chimique (fondants, colorants, opacifiants, ...)
- détermination des techniques de fabrication
- caractérisation des phases cristallines dans la masse vitreuse

métaux
- étude de la structure des alliages (forme des grains)
- mise en évidence des défauts de surface, des ségrégations
- étude des corrosions

textiles et bois
- identification des fibres et des essences
- analyse des colorants et des mordants

EXEMPLE
Image en électrons rétrodiffusés de la surface d'un bronze
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