a Description de la méthode

Les caractéristiques de la microscopie électronique à balayage, tel que son pouvoir séparateur, pouvant être inférieur au nanomètre, ainsi que sa grande profondeur de champ, en font une technique d’imagerie intéressante pour l’observation de la topographie d’une surface. Celle-ci repose sur le principe de la collection des émissions électroniques produites lors de l’interaction entre les électrons d’un faisceau incident (dits électrons primaires) avec la matière. Deux types d’interactions peuvent être observées, élastique ou inélastique, chacune apportant une information différente sur les caractéristiques du matériau. Cette technique va permettre de produire des images en haute résolution de la surface des échantillons [62, 63].

La formation des images repose sur la collection des électrons émis par une surface lorsque celle-ci est soumise à un très fin faisceau d’électrons (de l’ordre de 0,8 à quelques nanomètres selon le type de microscope et la source d’électrons utilisée). Son principe de base repose sur le balayage d’une surface par un faisceau électronique. En chaque point, les électrons réémis sont collectés, le signal est traité et reporté sur l’écran. Par convention, plus le signal collecté est intense, plus le niveau

de gris de l’image formée est élevé. Le signal collecté et amplifié permet alors de reconstruire une image point par point [62, 64].

Le microscope électronique à balayage est constitué d’une enceinte sous vide dans laquelle un canon à électrons va permettre la production d’un faisceau. Celui-ci est mis en forme par l’intermédiaire d’un ensemble de lentilles électromagnétiques, permettant de le focaliser sur une zone précise de l’échantillon et de réaliser le balayage de la surface [65, 66] (Figure 14).

Figure 14 : Schéma de principe d'un microscope électronique à balayage [66].

Lorsque le faisceau primaire entre en contact avec la surface de l’échantillon, les électrons vont pénétrer dans le matériau et interagir avec la matière dans un volume limité appelé volume d’interaction ou encore poire d’interaction. Sa forme va varier en fonction de la tension d’accélération mais aussi de la nature chimique de l’échantillon. Comme le montre la Figure 15, cette interaction conduit à la production d’électrons mais aussi de différents rayonnements électromagnétiques qui peuvent être collectés pour former des images.

Figure 15 : Emissions électroniques et électromagnétiques dues aux interactions faisceau d'électrons/échantillon [63]. Il est possible de distinguer deux types d’électrons produits :

- Des électrons secondaires qui vont principalement être utilisés pour caractériser la topographie d’une surface. Ils sont généralement assez faibles en énergie et sont émis par les couches superficielles de l’échantillon.

- Les électrons rétrodiffusés sont, quant à eux, produits dans des couches plus profondes et avec des énergies plus grandes. Ils vont apporter des informations sur la nature chimique de l’échantillon mais aussi sur les contrastes de phases pouvant exister [67].

Certains microscopes sont également équipés de détecteurs spécifiques permettant d’observer et d’utiliser d’autres émissions telles que les photons X (analyse chimique qualitative ou quantitative) ou des photons proches du visible (cathodoluminescence, qui permet l’analyse d’éléments en traces dans certaines conditions particulières), [64] qui vont apporter des informations supplémentaires / complémentaires sur l’échantillon analysé.

Lors de l’utilisation d’un MEB dit conventionnel, il est possible d’étudier n’importe quel type d’échantillon tant qu’il ne se modifie pas sous vide et qu’il résiste à l’impact du faisceau électronique. Dans le cas particulier d’échantillons isolants, il est de plus nécessaire de réaliser une étape préalable de métallisation afin de rendre la surface conductrice [67]. Cela rend impossible le suivi in situ voire ex situ de l’échantillon, ce dernier étant recouvert par une couche de métal.

Depuis quelques années, les MEB dits « environnementaux » (MEBE), permettent l’observation et l’analyse de différents types d’échantillons sans nécessiter d’opération de préparation. Il est en outre possible de travailler sous vide dégradé (jusqu’à 2400 Pa) en introduisant un gaz dans la chambre du microscope (vapeur d’eau, dioxygène …). Pour pouvoir acquérir des images en mode « électrons secondaires » ayant une résolution spatiale de l’ordre du nanomètre, il est alors nécessaire de travailler avec des détecteurs spécifiques comme cela sera présenté dans le troisième chapitre de ce manuscrit [68, 69].

Le couplage de ce type de microscope avec un dispositif chauffant à haute température (Figure 16) permet le suivi en continu et in situ des modifications morphologiques subies par l’échantillon lors d’un traitement thermique [70, 71].

Figure 16 : Chambre d’un MEBE équipée d'une platine haute température [71].

Pour cela, il est nécessaire de réaliser le suivi au cours du temps d’une seule et même zone de l’échantillon et par la suite de réaliser le traitement d’images adéquat pour en extraire les informations nécessaires à la description des phénomènes observés [72]. Afin de pouvoir réaliser ces observations, il est important que les phénomènes à observer aient une cinétique en adéquation avec le temps d’acquisition et d’enregistrement de l’image (environ quelques secondes). Si le système réagit trop vite, il sera impossible d’acquérir un nombre suffisant d’images pour décrire l’évolution du système et obtenir des données quantitatives. Dans le cas où la cinétique de la réaction est trop faible, le temps d’expérience devient rédhibitoire et ne permet plus l’observation des modifications morphologiques sur une durée raisonnable (i.e. typiquement inférieure à 24 heures) [71, 72]. Un des avantages de l’utilisation de la microscopie en mode environnemental est de pouvoir modifier l’atmosphère de travail, ce qui permet de réaliser des études en fonction de l’atmosphère de traitement et, par exemple, de comprendre l’impact des changements de degrés d’oxydation sur le frittage [73]. La Microscopie Électronique à Balayage en mode Environnemental et à Haute Température (HT-MEBE) est aussi une technique d’intérêt pour l’étude du comportement des matériaux en température et peut donc être utilisée pour caractériser le premier stade du frittage.