Microscopie électronique en transmission - Définition
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Interaction électron-matière
Le faisceau électronique traversant l'échantillon interagit avec les atomes constituant ce dernier, et produit différentes sortes de rayonnement. Les observations portent essentiellement sur le faisceau transmis, mais l'analyse des rayonnements X émis apportent des mesures complémentaires sur la composition de l'échantillon. D'une manière plus marginale, il est aussi possible d'étudier les rayonnements émis de type électron secondaire, rétrodiffusé, Auger, ou encore cathodoluminescence.
En ce qui concerne le faisceau transmis, il est le résultat de diffusions élastique et inélastique, qui fournissent le contraste des images. Ces deux diffusions conservent la quantité de mouvement, mais la première conserve l'énergie cinétique et contribue en grande partie aux interactions tandis que la seconde conserve l'énergie totale et est concentrée dans les petits angle de diffusion. La différence d'énergie est convertie en l'excitation d'un électron lié à un atome.
La compréhension des processus d'interaction a un rôle essentiel pour savoir comment effectuer les observations et les analyser. C'est à partir de la modélisation de ces interactions que sont définis les différents modes d'imagerie utilisés dans un MET.
Diffusion élastique
Le processus de diffusion élastique des électrons par les atomes constitue la contribution majeure à la formation du constraste 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 θ est donnée par :
où Z, ε0 et v sont respectivement le numéro atomique de l'atome diffusant, la permittivité du vide et la vitesse de l'électron.
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 intéragissant ayant la même masse, ils peuvent alors échanger facilement de l'énergie, et ainsi réaliser des diffusions inélastiques.
Diffusion inélastique
Les diffusions inélastiques ont principalement lieu dans les petits angles de diffusions (environ 10 − 4 à 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.
Applications
Une des applications importantes aujourd'hui est celle de la tomographie. La tomographie permet, à partir de l'observation des échantillons sous une série d'angle, appelée série tiltée (-70° à +70° dans le meilleur des cas) de reconstituer l'échantillon en 3D. C'est en fait le principe du scanner, qui lui fonctionne avec des rayons X.
Les algorithmes de reconstruction sont les mêmes que ceux développés en rayons X; néanmoins certains problèmes se posent à l'échelle à laquelle on travaille en microscopie électronique, parmi lesquels : la limitation de la série d'angles, le mouvement de l'échantillon lors de la série de prise de vue, l'indetermination de l'axe de rotation.
Il faut donc, pour préparer la série qu'on va donner à manger aux algorithmes. En gros, modifier la série acquise, et determiner l'axe de tilt.
La spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) permet d'obtenir d'autres informations: reconnaître les atomes et connaître les liaisons chimiques.
