microscope électronique

microscope électronique, microscope utilisant des électrons et des systèmes électroniques équivalant aux lentilles optiques pour explorer la matière.

La formule qui permet de calculer le pouvoir de résolution du microscope optique montre que celui-ci est bien adapté à l’exploration du monde à l’échelle du micromètre. Elle révèle aussi que seul le recours à des faisceaux d’électrons permet de franchir plusieurs ordres de grandeur et d’avoir accès directement aux distances interatomiques. Le seul paramètre qui permette de gagner le facteur 1 000 requis est la longueur d’onde de la radiation utilisée. Ainsi, des électrons de longueur d'onde beaucoup plus petite (3.10^-3 à 10^-3 nm pour des électrons accélérés sous des tensions de 100 à 1 000 kV) que celle de la lumière (400 à 700 nm) permettent de visualiser des structures à une échelle bien inférieure. Le premier microscope électronique a été inventé en 1931 par Ernst Ruska, qui obtint en 1986 le prix Nobel de physique.

On peut classer les microscopes en plusieurs catégories. Les microscopes en réflexion ou en transmission, suivant que l’on s’intéresse aux informations issues de la surface de l’échantillon (l’échantillon sera alors massif) ou bien à celles provenant du volume (l’échantillon sera alors préparé sous la forme de lames minces pour permettre la « transmission » des électrons à travers son épaisseur). On distingue aussi, suivant les types d’images obtenues, les microscopes conventionnels (dont la conception dérive des microscopes photoniques), les microscopes à balayage (dont l’origine s’inspire des systèmes de télévision). En associant ces deux types de classification, on aboutit à quatre grandes familles de microscopes électroniques : MET (microscopie conventionnelle à transmission) ou CEM ou CTEM, MER (microscopie conventionnelle à réflexion) ou REM, MEB (microscopie à balayage en réflexion) ou SEM, MEBT (microscopie à balayage en transmission) ou STEM. Les tensions d’accélération usuelles sont de 10 à 30 kV pour les MEB, de 100 à 400 kV pour les microscopes MET (100 kV pour les MEBT).

Malgré leur diversité, les microscopes électroniques sont constitués d’un certain nombre d’éléments communs :

• un ensemble de pompage destiné à assurer un vide convenable dans l’enceinte du microscope (celui-ci est imposé pour éviter que le faisceau d’électrons, qui ne se propage librement que dans le vide, n’interagisse avec la matière) ;
• une source d’électrons. Elle est généralement constituée d’une surface métallique qui constitue un réservoir (inépuisable) d’électrons, dont l’extraction est assurée soit par l’utilisation d’une source de chaleur (filament de tungstène ou cathode LaB₆), soit par celle d’un champ électrique (source à effet de champ). Cette dernière solution donne lieu à des flux d’électrons très intenses ;
• des lentilles électroniques magnétiques. C’est l’action des forces imposées par les champs magnétiques sur les particules chargées que sont les électrons qui permet de modifier et de contrôler la trajectoire de ceux-ci. Parmi les différentes lentilles qui se succèdent le long de la colonne d’un microscope à transmission, on distingue : les lentilles condenseur, qui assurent le transfert du faisceau d’électrons entre la source et l’échantillon et qui sont donc responsables des conditions d’éclairement ; la lentille objectif dans l’entrefer de laquelle est généralement immergé l’échantillon (microscope à transmission). C’est elle qui donne la première image agrandie ou un diagramme de diffraction dans son plan focal. Ce sont aussi ses caractéristiques qui confèrent au microscope ses performances ; enfin les lentilles intermédiaires qui reprennent plusieurs fois l’image (ou le cliché de diffraction) fournie par l’objectif, en l’agrandissant afin de la visualiser sur un écran d’observation ou au moyen de tout autre détecteur placé à l’extrémité de la colonne du microscope ;
• un étage porte-échantillon permettant l’introduction et les déplacements du spécimen en cours d’observation ;
• enfin, un système d’enregistrement et de visualisation des images produites par les électrons.

Le microscope électronique à balayage se distingue du microscope conventionnel de plusieurs façons. La colonne d’optique électronique y est plus réduite et simplifiée comportant uniquement un ensemble de lentilles (condenseur et objectif) situées entre la source et l’échantillon. Il comprend cependant entre les deux lentilles un système de bobines à balayage constituées de déflecteurs électromagnétiques, dont le rôle est de déplacer la sonde d’électrons sur la surface de l’échantillon, selon une trame bien définie obéissant à un standard de télévision ou à toute une gamme de balayages plus lents. Contrairement au microscope à transmission, l’échantillon est généralement situé en dehors des pièces polaires de la dernière lentille d’éclairement. Par conséquent, il est relativement aisé de concevoir des porte-objets goniométriques permettant l’introduction d’objets de grande taille (plusieurs centimètres) et offrant des possibilités variées de déplacements horizontaux et verticaux ou de changements d’inclinaison, adaptés à l’examen tridimensionnel de topographies complexes. Les différents détecteurs servant à capter les flux d’électrons rétrodiffusés ou secondaires sont eux aussi situés dans la chambre porte-échantillon, directement en regard de la surface à observer.

Le microscope électronique moderne, soit dans une configuration purement à transmission (MET), soit dans une configuration hybride, en transmission et en balayage (MEBT), est aujourd’hui généralement équipé de spectromètres d’émission X et de pertes d’énergie d’électrons, qui le transforme en un puissant outil d’analyse. L’analyse chimique de l’échantillon réalisée grâce à ces spectrométries jusqu’à une échelle subnanométrique (de l’ordre de l’angström, soit 10^-10 m), exploite les phénomènes d’excitation ou de désexcitation de l’électron atomique du spécimen.