Principe du Microscope électronique à balayage :
Un faisceau très fin d’électrons ayant la même énergie, balaie la surface d’un échantillon et produit des interactions détectées par un capteur dont le balayage est synchronisé avec celui du faisceau d’électrons ; on peut ainsi comparer le MEB à un système de télévision cathodique.
Canon électronique :
Les électrons sont produits par effet thermoélectronique (chauffage jusqu’à 2700°C) à partir d’un filament (en forme d’épingle à cheveux) ce qui permet l’extraction des électrons au niveau du « Wehnelt ». Dans les instruments les plus récents MEB-FEG, les électrons sont émis par effet de champ : on utilise une pointe métallique très aiguë (100 à 200 nm) soumise à un champ électrique local, extrêmement intense et suffisant pour extraire les électrons. Ceci va permettre un gain considérable sur les performances de l’instrument. Dans tous les cas, les électrons sont accélérés par la différence de potentiel entre le Wehnelt et une anode. Ces électrons ainsi extraits sont par la suite accélérés en leur appliquant une tension qui peut varier de 100 V à 40 kV (40000V).
Système de focalisation : Lentilles électromagnétiques
Du fait que l’électron est une particule chargée négativement sa trajectoire est déviée quand il traverse un champ électrique ou magnétique. Cette propriété est utilisée en microscopie électronique pour façonner le faisceau d’électrons. On utilise habituellement des bobines magnétiques particulières qui vont servir à focaliser le faisceau d’électrons, on parle de lentilles magnétiques. Plusieurs lentilles électromagnétiques sont utilisées pour focaliser le faisceau électronique et réduire la densité électronique permettant ainsi l’observation des objets en haute résolution. La résolution spatiale dans certains MEB peut descendre en dessous du nanomètre (<10-9 mm).
Système de balayage :
Le balayage de la surface de l’échantillon est contrôlé par des bobines de déflexion : le faisceau se déplace donc sur la surface de l’échantillon suivant des lignes se décalant parallèlement à elles-mêmes. Ce balayage couplé avec les différents détecteurs (capteurs) va permettre de générer des images qui peuvent être digitalisées.
Système de vide :
Un système de vide maintient la colonne et la chambre du microscope sous vide, afin d’éviter le freinage et la déviation des électrons par collisionCollision n. f. Du latin collisio : choc. Affrontement de deux plaques continentales résultant de la fermeture d’un domaine océanique intermédiaire, et s’accompagnant de déformations très importantes comme la formation de montagnes. avec les molécules d’air, ainsi que l’oxydation de la source électronique.
Interactions électrons-matière :
Au point d’impact du faisceau électronique sur un matériau épais il y a interaction entre les électrons et la matière. Ceci se traduit par un volume de matière excitée, appelé « poire d’excitation » ou « poire d’interaction » dans le lequel certains phénomènes se produisent. Ce volume dépend de l’énergie des électrons et de la densité du matériau impacté et n’excède pas quelques µm3. (Image : 10).
Les principales interactions électron-matière sont :
– les électrons rétrodiffusés, d’énergie comparable à celle des électrons incidents.
– les électrons secondaires, arrachés à la matière par les électrons incidents ou rétrodiffusés, d’énergie beaucoup plus faible.
– les électrons Auger, de très faible énergie, ne pouvant être étudiés que dans des conditions d’ultra-vide.
– les photons visibles (cathodoluminescence) spécifiques de certains matériaux ou impuretés.
– les photons X, donnant accès à l’analyse.
Interactions électrons-matière au MEB et leurs applications (Image : 11).
Préparation des échantillons :
Les échantillons à observer au MEB doivent être, en général, conducteurs et déshydratés. Une préparation des échantillons est requise pour pouvoir les étudier de manière correcte. Cependant certains MEBs modernes dits « environnementaux » permettent l’étude d’échantillons hydratés, ou dont les surfaces ne sont pas conductrices. Une « métallisation » ou dépôt de carbone ou d’autres métaux (or, platine ….) est nécessaire pour rendre la surface des échantillons isolants conductrice. Des appareils spécifiques, sont utilisés pour effectuer ces dépôts qui se font toujours sous vide. (Images : 2, 12 et 13 ).
Applications :
La technique de microscopie électronique à balayage est utilisée en biologie, dans les sciences des matériaux, en paléontologie pour étudier les microfossiles, en cristallographie, en microélectronique, en chimie, en mécanique. Légendes des images 03 à 11 : Omar Boudouma.
Photographes : Omar Boudouma (images 03 à 11) et Gérard Brusseaux (images 01, 02, 12 à 14).
Source : Institut des Sciences de la Terre de Paris (ISTeP), Sorbonne Université, campus Pierre et Marie Curie, Paris, France.