Microscopie électronique en transmission - Définition

Introduction

Schéma du faisceau d'électrons dans un MET :
1 : colonne,
2 : source d'électrons,
3 : électrons,
4 : cathode,
5 : anode,
6 : lentilles condenseur,
7 : échantillon,
8 : lentilles diffraction,
9 : lentilles projection,
10 : détecteur.

La microscopie électronique en transmission (MET ou TEM en anglais pour Transmission Electron Microscopy) est une technique de microscopie où un faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince. Les effets d'interaction entre les électrons et l'échantillon donnent naissance à une image, dont la résolution peut atteindre 0,8 Ångström. Les images obtenues ne sont généralement pas explicites, et doivent être interprétées à l'aide d'un support théorique. L'intérêt principal de ce microscope est de pouvoir combiner cette grande résolution avec les informations de l'espace de Fourier, c'est-à-dire la diffraction. Il est aussi possible d'étudier la composition chimique de l'échantillon en étudiant le rayonnement X provoqué par le faisceau électronique. Contrairement aux microscopes optiques, la résolution n'est pas limitée par la longueur d'onde des électrons, mais par les aberrations dues aux lentilles magnétiques.

Le principe du microscope électronique en transmission a été mis au point en 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska, ce dernier a d'ailleurs reçu le prix Nobel de physique en 1986 pour cette invention.

Elle consiste à placer un échantillon suffisamment mince sous un faisceau d'électrons, et d'utiliser un système de lentilles magnétiques pour projeter l'image de l'échantillon sur un écran fluorescent qui transforme l'image électronique en image optique. Pour les échantillons cristallins, un autre mode d'utilisation consiste à visualiser le cliché de diffraction de l'échantillon.

Les applications de la microscopie électronique couvrent un très vaste domaine, de l'observation d'échantillons biologiques, comme le noyau des cellules à l'analyse d'échantillons industriels dans la métallurgie ou l'industrie des semi-conducteurs.

Principe

Selon la théorie d'Abbe, la résolution maximum qu'il est possible d'obtenir avec un microscope optique dépend de la longueur d'onde des photons et de l'ouverture numérique du système optique. La limite de résolution transverse d d'un microscope, c'est-à-dire la plus petite distance en dessous de laquelle deux points voisins ne seront plus distingués, peut être exprimée à l'aide de la longueur d'onde d'illumination λ, de l'indice de réfraction n en sortie d'objectif, et du demi angle du cône de lumière maximum accessible α.

où NA = nsinα appelé ouverture numérique de l'objectif.

Au début du XX^e siècle, l'idée est venue de repousser cette limite imposée par la longueur d'onde relativement élevée de la lumière visible, de 400 à 700 nanomètres en mettant en jeu des électrons dont on savait, d'après la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie, qu'ils possédaient à la fois les propriétés des particules et celle des ondes. Cela suggérait que l'on pouvait traiter un faisceau d'électrons de la même manière qu'un faisceau d'ondes électromagnétiques afin d'obtenir une image de l'échantillon.

Dans un microscope électronique, les électrons accélérés sont générés par un canon à électrons comprenant une source et un champ électrique produit par une différence de potentiel entre la source et une anode, puis focalisés sur l'échantillon par des lentilles magnétiques ou électrostatiques. Le faisceau d'électrons interagit avec l'échantillon avec un contraste spatial résultant de différences de densité ou de composition chimique, et mesuré par un détecteur permettant ainsi de former une image de l'échantillon.

Résumons la comparaison entre la microscopie optique qu'il vaut mieux appeler la microscopie « photonique », car les microscopistes électroniques parlent d'« optique électronique » pour désigner les lois physiques et les dispositifs qui traitent les trajectoires électroniques. Le microscope électronique en transmission utilise, lui, comme rayonnement des électrons. Un système de lentilles magnétiques permet de focaliser le rayon d'électrons sur un échantillon « extrêmement mince ». L'image (ou cliché de diffraction) obtenue est transformée en image photonique, par exemple par un écran fluorescent, et ensuite, cette image photonique est traitée de la même façon que dans un microscope photonique, avec la possibilité d'un enregistrement sur un film photographique ou, depuis la fin du XX^e siècle, un capteur CCD.

Le microscope électronique en transmission a deux principaux modes de fonctionnement  :

mode image 

Le faisceau électronique interagit avec l'échantillon suivant l'épaisseur, la densité ou la nature chimique de celui-ci, ce qui conduit à la formation d'une image contrastée dans le plan image. En plaçant le détecteur dans le plan image, on peut observer une image par transparence de la zone observée.

mode diffraction 

Ce mode utilise le comportement ondulatoire des électrons. Lorsque le faisceau traverse un échantillon cristallographique, il donne lieu au phénomène de diffraction. Le faisceau est diffracté en plusieurs petits faisceaux, et ceux-ci se recombinent pour former l'image, grâce aux lentilles magnétiques.