Microscopie électronique à balayage

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Premier microscope électronique à balayage par M von Ardenne
Microscope électronique à balayage JEOL JSM-6340F
Principe de fonctionnement du Microscope Electronique à Balayage

La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en anglais) est une technique de microscopie électronique capable de produire des images en haute résolution de la surface d’un échantillon en utilisant le principe des interactions électrons-matière.

S'appuyant sur les travaux de Max Knoll et Manfred von Ardenne dans les années 1930, la MEB consiste en un faisceau d’électrons balayant la surface de l’échantillon à analyser qui, en réponse, réémet certaines particules. Ces particules sont analysées par différents détecteurs qui permettent de reconstruire une image en trois dimensions de la surface.

Les travaux menés dans les années 1960 dans le laboratoire de Charles Oatley à l’université de Cambridge ont grandement contribué au développement de la MEB, et ont conduit en 1965 à la commercialisation par Cambridge Instrument Co. des premiers microscopes à balayage[1]. Aujourd’hui, la microscopie électronique à balayage est utilisée dans des domaines allant de la biologie à la science des matériaux, et un grand nombre de constructeurs proposent des appareils de série équipés de détecteurs d’électrons secondaires et dont la résolution se situe entre 0,4 nanomètre[2] et 20 nanomètres.

Principe général

Le pouvoir de résolution (capacité à distinguer des détails fins) de l’œil humain avec un microscope optique est limité par la longueur d’onde de la lumière visible (photons) ainsi que par la qualité des lentilles grossissantes. Les plus puissants microscopes optiques peuvent distinguer des détails de 0,1 à 0,2 µm[3]. Si l’on veut observer des détails plus fins, il faut diminuer la longueur d’onde qui éclaire les cibles. Dans le cas des microscopes électroniques, on n’utilise pas des photons, mais des électrons, dont les longueurs d’ondes associées sont beaucoup plus faibles.

Schéma de principe « historique » de la microscopie à balayage. À partir des années 1980, le tube cathodique synchronisé avec le MEB a progressivement disparu pour céder la place à une acquisition numérique d’image.

La figure ci-contre illustre le schéma de principe d’un MEB : une sonde électronique fine (faisceau d’électrons) est projetée sur l’échantillon à analyser. L’interaction entre la sonde électronique et l’échantillon génère des électrons secondaires, de basse énergie qui sont accélérés vers un détecteur d’électrons secondaires qui amplifie le signal. À chaque point d’impact correspond un signal électrique. L’intensité de ce signal électrique dépend à la fois de la nature de l’échantillon au point d’impact qui détermine le rendement en électrons secondaires et de la topographie de l’échantillon au point considéré. Il est ainsi possible, en balayant le faisceau sur l’échantillon, d’obtenir une cartographie de la zone balayée.

La sonde électronique fine est produite par un « canon à électrons » qui joue le rôle d’une source réduite par des « lentilles électroniques » qui jouent le même rôle vis-à-vis du faisceau d’électrons que des lentilles conventionnelles, photoniques dans un microscope optique. Des bobines disposées selon les deux axes perpendiculaires à l’axe du faisceau et parcourues par des courants synchronisés permettent de soumettre la sonde à un balayage du même type que celui d'un écran cathodique. Les lentilles électroniques, qui sont généralement des lentilles magnétiques et les bobines de balayage forment un ensemble que l’on appelle la colonne électronique.

Schéma d’un MEB équipé d’un détecteur de rayons X « EDS » (à dispersion d’énergie)

Dans les MEB modernes, la cartographie d’électrons secondaires est enregistrée sous forme numérique, mais le MEB a pu être développé dès le début des années 1960, bien avant la diffusion des moyens de stockage informatique, grâce à un procédé analogique qui consistait, comme sur le schéma de la figure, à synchroniser le balayage du faisceau d’un tube cathodique avec celui du MEB, en modulant l’intensité du tube par le signal secondaire. L’image de l’échantillon apparaissait alors sur l’écran phosphorescent du tube cathodique et pouvait être enregistrée sur une pellicule photographique.

Un microscope électronique à balayage est essentiellement composé d’un canon à électrons et d’une colonne électronique, dont la fonction est de produire une sonde électronique fine sur l’échantillon, d’une platine porte-objet permettant de déplacer l’échantillon dans les trois directions et de détecteurs permettant de capter et d’analyser les rayonnements émis par l’échantillon. En outre l’appareil doit nécessairement être équipé d’un système de pompes à vide[4].

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