Microscopie électronique en transmission

La microscopie électronique en transmission permet d’obtenir des informations sur la morphologie, la cristallographie, et l’environnement local des atomes. La principale contrainte de cette technique est la faible épaisseur des échantillons analysés en raison des fortes interactions entre les électrons et la matière. L’échantillon doit être transparent aux électrons. Un microscope électronique à transmission peut se schématiser par une colonne constituée d’un canon à électrons, d’un accélérateur, d’un condenseur, d’une lentille objectif, de lentilles intermédiaires, d’une lentille de projection et d’une chambre d’observation et d’enregistrement (figure II.14). Le canon à électrons produit des électrons à l’aide d’un cristal LaB6 chauffé à 2000 K ou d’un canon à émission de champ. Ces électrons sont ensuite accélérés par une tension d’accélération pouvant atteindre quelques millions de volts. L’ensemble de la colonne est sous un vide de 10^-5 Pa afin d’éviter la diffusion des électrons par l’atmosphère. Les lentilles électromagnétiques (lentilles condenseur, objectif, intermédiaire et projecteur) permettent de focaliser le faisceau d’électrons grâce à un bobinage de spires circulaires en cuivre et de pièces polaires en fer doux en faisant converger les électrons sous l’action d’un champ magnétique. Les lentilles condenseur et le diaphragme en sortie de l’accélérateur focalisent le faisceau sur l’échantillon. Quant à la lentille objectif du microscope, elle permet de former une image de l’objet. Grâce aux lentilles intermédiaires, il est possible de passer d’un mode diffraction à un mode image et vice-versa. La lentille projecteur permet de projeter sur un écran ou une caméra CDD, l’image de l’objet ou de la figure de diffraction.

49 Les interactions coulombiennes entre les électrons

du faisceau incident et les atomes du matériau (noyau et couche électronique) conduisent à différents types de diffusion des électrons transmis. Les principaux paramètres qui caractérisent la diffusion sont l’angle de diffusion des électrons et l’énergie perdue suite à l’interaction avec l’échantillon. Les interactions sont partagées en interactions élastiques et inélastiques, leurs distributions en fonction de l’interaction subie sont représentées sur la figure II.15.

II.6.1.1. Microscopie électronique à transmission conventionnelle

Deux principaux modes images existent en microscopie conventionnelle : le mode champ clair et le mode champ sombre. Le premier mode forme l’image en n’utilisant que les électrons du faisceau

Figure II.14 : Schéma de principe du fonctionnement d’un microscope électronique à transmission [25].

Mode image Mode diffraction

Diaphragme condenseur Lentilles condenseurs Echantillon Lentille objectif Diaphragme objectif Diaphragme de sélection d’aire Lentilles intermédiaires Lentille projecteur 1ère figure de diffraction 1^ère image 2^ème figure de diffraction 2^ème image

Figure II.15 : Distribution des électrons en fonction du type

50 direct c’est à dire les électrons qui n’ont pas interagi avec la matière et ceux qui après interaction et diffraction multiple ont la même direction de propagation que le faisceau incident. Dans ce mode, les zones de l’échantillon étant hors condition de diffraction apparaissent claires, alors que celles qui diffractent apparaissent sombres. En ce qui concerne le mode champ sombre, on sélectionne un faisceau d’électrons diffractés suivant une direction. Les zones brillantes sont celles qui ont diffractées suivant cette direction. La sélection du faisceau que ce soit en mode champ clair ou champ sombre se fait à l’aide du diaphragme objectif.

II.6.1.2. Microscopie électronique à transmission en haute résolution

Le principe de la microscopie électronique à transmission en haute résolution consiste à former une figure d’interférence entre le faisceau direct et les faisceaux diffractés. Les contrastes observés dans ce mode sont par conséquent principalement dus aux différences de phase de ces faisceaux. La relation entre image haute résolution et positions atomiques n’est pas directe. Néanmoins, la périodicité de la structure est présente dans la figure d’interférence. Pour pouvoir interpréter les images haute résolution en terme de position atomique, il est nécessaire de réaliser des simulations d’image. Par ce mode d’analyse, il est possible d’obtenir une information sur l’organisation cristalline ainsi que sur les défauts (joints de grain, dislocation,…), l’orientation des domaines, la distance interréticulaire des plans,…

II.6.1.3. Diffraction électronique par sélection d’aire

La diffraction électronique permet de réaliser des analyses structurales en corrélation avec l’image. A l’aide de la lentille objectif et du diaphragme de sélection d’aire situé dans le plan image de cette lentille, il est possible de réaliser une figure de diffraction. La disposition des taches des clichés de diffraction dépend des directions des plans de l’échantillon suivant lesquelles diffractent les électrons. Ces taches correspondent à l’intersection de la sphère d’Ewald avec les nœuds du réseau réciproque (figure II.16). Le diagramme est constitué d’une tache centrale intense qui représente l’origine du diagramme et la position du faisceau transmis. Le diagramme de diffraction représente une coupe de l’espace réciproque du cristal, donc il est possible de déterminer les indices de Miller des plans diffractants et de remonter à la distance interréticulaire des plans à l’aide des formules suivantes :

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𝐷_ℎ𝑘𝑙

𝐿 = tan 2𝜃_𝐵≈ 2𝜃_{𝐵 Eq.II.18} D’après la formule de Bragg (approximation des petits angles), on obtient :

𝜆

𝑑_ℎ𝑘𝑙 = 2 sin 𝜃_𝐵≈ 2𝜃_𝐵 Eq.II.19 On peut ainsi écrire :

𝐷_ℎ𝑘𝑙. 𝑑_ℎ𝑘𝑙= 𝜆. 𝐿 Eq.II.20

θB : Angle de Bragg du faisceau transmis. dhkl : Distance interréticulaire.

L : Longueur de caméra.

Dhkl : Distance entre l’origine O et la tache hkl de diffraction. λ : Longueur d’onde des électrons.

En général, la zone diffractante est étalée sur plusieurs centaines de nanomètres, donc la figure de diffraction est une information moyennée sur l’ensemble de la zone sondée.

II.6.1.4. Microscopie électronique à balayage en transmission.

La microscopie électronique à balayage en transmission permet l’acquisition d’images en focalisant le faisceau électronique en une sonde électronique aussi petite que possible, à laquelle on applique un mouvement de balayage. Dans le cadre de ce travail, ce mode a été employé pour l’analyse en spectroscopie de perte d’énergie d’électrons, car il permet un contrôle facile de la zone

52 d’observation. A la différence du mode en transmission conventionnelle utilisant un faisceau quasiment parallèle, l’image ne se forme plus sur l’écran d’observation, mais elle est remplacée par des détecteurs (axial et annulaire) qui comptent les électrons transmis sous différents angles. L’image en champ clair est formée par les électrons non diffusés ou diffusés à très petits angles et n’utilise que le détecteur axial alors que l’image en champ sombre est formée par les électrons diffusés à grands angles dans la direction du détecteur.