Architecture d'un microscope électronique en transmission

La compréhension du fonctionnement d'un MET passe nécessairement par la connais- sance de son architecture. Comme pour un microscope classique, trois composants constituent un MET : un système d'éclairement, un étage objectif et un système d'ima- gerie. Le système d'éclairement est constitué d'une source émettrice d'électrons et de lentilles condenseurs, dont le but est de mettre en forme le faisceau qui éclaire l'échan- tillon.

L'étage objectif est le c÷ur du microscope. C'est à ce niveau, dans l'entrefer d'une bobine magnétique d'une taille ne dépassant en général pas 1 cm, qu'est placé l'échan- tillon et qu'est formée la première image. La qualité de cette première image gouverne la résolution de l'image nale, ce qui fait des lentilles objectif les lentilles les plus im- portantes.

Le système d'imagerie comprend plusieurs lentilles dont le but est de grossir l'image produite par la lentille objectif et de la projeter sur l'écran d'observation. On peut clas- ser les lentilles de cet étage en deux catégories. Celles qui grossissent l'image sont dites lentilles intermédiaires et lentilles de diraction ; celles qui projettent l'image sont dites

3.1 Fonctionnement du MET 65

lentilles de projection.

Toutes les lentilles auxquelles nous faisons référence ici ne sont pas des lentilles optiques mais magnétiques. Leur mode de fonctionnement est décrit en annexe C mais gardons à l'esprit que les règles de l'optique géométrique restent valables en optique électronique.

Système d'éclairement

Le faisceau d'électrons est produit par un canon à électrons. Celui-ci peut être à émission thermoionique ou à émission de champ. Dans le premier cas (cf. gure 3.4), on chaue la cathode (un lament de tungstène ou une pointe monocristalline d'hexabo- rure de lanthane (LaB6) par exemple) à une température susamment élevée pour que

les électrons puissent franchir la barrière de potentiel qui les maintient dans le solide. Les électrons arrachés sont attirés par l'anode. Le contrôle de l'émission du canon se fait à l'aide du wehnelt dont on peut varier la valeur du potentiel négatif. La zone où sont focalisés les électrons est appelée le cross-over et équivaut à la vraie source du microscope. Les électrons issus du cross-over sont accélérés par une série d'anodes pour atteindre leur énergie nale.

Figure 3.4  Représentation schématique d'un canon à émission thermoionique.

Dans le cas des canons à émission de champ on ne chaue pas la pointe mais on applique un potentiel très élevé entre le lament et une anode située très près de celui-

ci. Cette diérence de potentiel permet l'extraction des électrons avec une dispersion en énergie plus faible que pour les canons à émission thermoionique. De plus, la source est plus brillante. En revanche, la pointe doit être beaucoup plus ne (elle est donc plus fragile et coûteuse) et le vide doit être de meilleure qualité (10−8 _{Pa contre 10}−2_-

10−4 _{Pa pour l'émission thermoionique).}

Le faisceau est par la suite mis en forme à l'aide de lentilles condenseurs nommées C1 et C2 (cf. gure 3.5). La lentille C1 forme une image du cross-over et détermine la taille de la source sur l'échantillon ; c'est ce qu'on appelle le spot size. La lentille C2 permet de régler la convergence du faisceau sur l'échantillon, et donc l'intensité du faisceau. Au niveau de cette lentille se trouve un diaphragme permettant de régler la brillance mais aussi la cohérence du faisceau ce qui, on le verra plus tard, est important pour l'imagerie haute résolution (HR). Il arrive que les lentilles C1 et C2 ne permettent pas de réduire susamment la taille de la source sur l'échantillon. Dans ce cas on uti- lise une troisième lentille C3 dite condenseur-objectif, située entre le diaphragme et l'échantillon (non représentée sur la gure 3.5).

C1

C2 diaphragme

axe optique cross-over du canon

α

échantillon

3.1 Fonctionnement du MET 67

Étage objectif

L'étage objectif est le plus important car c'est lui qui produit la première image agrandie de l'objet. L'échantillon se trouve à ce niveau, entre la lentille objectif supé- rieure et la lentille objectif inférieure en position eucentrique (sans déplacement latéral associé à la rotation) comme on peut le voir sur la gure 3.6. L'espace disponible entre les deux pièces polaires est un facteur critique car il limite la rotation de l'échantillon pour son orientation. De plus l'aberration sphérique Cs de la lentille objectif inférieure

dépend de la taille de l'entrefer.

La lentille objectif supérieure est en fait la dernière lentille du système d'illumination et dénit la convergence et la taille du faisceau irradiant l'échantillon. La lentille ob- jectif inférieure, plus simplement désignée lentille objectif, fournit la première image agrandie de l'objet. Le pouvoir de résolution du MET dépend des aberrations de cette lentille, notamment de son coecient d'aberration sphérique.

diaphragme

objectif

axe optique

échantillon

pièce

polaire

première image

intermédiaire

pièce

polaire

Système d'imagerie

A la sortie de la lentille objectif, les électrons sont répartis dans diérents faisceaux qui forment une gure de diraction dans le plan focal image ; ils sont ensuite recom- binés pour former l'image dans le plan image (cf. gure 3.7).

En mode diraction (3.7.a), on retire le diaphragme objectif (aussi appelé dia- phragme de diraction) et on insère le diaphragme de sélection d'aire. Ce dernier per- met de sélectionner la zone de l'échantillon dont on souhaite voir la gure de diraction associée. Ensuite, le système de lentilles intermédiaires est ajusté en changeant le cou- rant dans les lentilles, de façon à faire coïncider le plan objet avec le plan focal image de la lentille objectif. Finalement, la gure de diraction située dans le plan image de la lentille de projection est projetée sur l'écran d'observation par cette dernière, dont le plan image coïncide avec l'écran.

En mode image (3.7.b) on retire le diaphragme de sélection d'aire et on insère un diaphragme de diraction pour augmenter le contraste de l'image. On modie le cou- rant des lentilles intermédiaires pour faire coïncider leur plan objet avec le plan image de la lentille objectif. Cette fois la lentille de projection reproduit l'image de l'échan- tillon sur l'écran.

Il est courant de projeter la gure de diraction ou l'image de l'échantillon sur une caméra CCD de façon à faire des acquisitions numériques. Nous ne rentrerons pas ici dans le détail de ce sujet, et invitons le lecteur qui souhaite en savoir plus, à se reporter par exemple au chapitre 7 de l'ouvrage de B. Williams et C. Carter [84].

3.2 Techniques de microscopie électronique mises en