Dans le domaine de la microscopie électronique, il existe deux types principaux de techniques : la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique à transmission (MET). Dans les deux cas, un faisceau d’électrons est envoyé sur l'échantillon pour le sonder, mais les deux techniques diffèrent quant à l’information donnée par le microscope.
II.5.1 La microscopie électronique à balayage MEB Interaction électrons-matière :
Pour pouvoir sonder des éléments de très petites tailles (en dessous de 400 nm) la microscopie électronique est l’une des techniques les plus utilisées de nos jours. Elle consiste à soumettre un échantillon à un faisceau d’électrons et ensuite à analyser les réémissions de cette interaction entre la matière et les électrons incidents (Figure II.20). Lorsqu’un électron interagit avec de la matière, d’autres types de rayonnements sont générés :
- Les électrons rétrodiffusés qui ont réagi de manière quasi élastique avec les noyaux des atomes (de l’échantillon), ils sont sensibles à la taille du noyau et donnent, en conséquence, une information sur le numéro atomique des éléments sondés.
- Les électrons secondaires qui ont interagi avec les électrons des atomes de la matière leur cédant de l’énergie en éjectant un électron de la couche supérieure, donnent la topologie de l’échantillon.
- La production d’un électron Auger et l’émission de rayons X (provenant de la désexcitation d’un électron d’une couche supérieure).
Dans notre cas, seuls les rayons X réémis seront exploités ; ils vont nous donner des informations importantes sur la nature chimique des éléments composant la matière.
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Figure II.20 : Produits de l'interaction électron-matière
Ces rayons X peuvent être analysés par dispersion d’énergie (EDS) ou par dispersion de longueur d’onde (WDS). Il faut préciser que les atomes trop petits comme l’Hydrogène, l’Hélium ou le Lithium possèdent des énergies trop faibles (pour le Lithium) ou inexistantes (pour l’Hydrogène et l’Hélium) et ne pourront par conséquent pas être détectés par ces techniques.
Principe du MEB-EDS :
La microscopie électronique à balayage permet de visualiser des objets dont la taille peut descendre à quelques dizaines de nanomètres. Comme vu précédemment, un faisceau d’électrons généré par une anode vient balayer la surface de l’échantillon à analyser. Un détecteur placé au-dessus de l’échantillon analyse les électrons secondaires et rétrodiffusés pour reconstituer l’image de l’échantillon pixel par pixel. L’image reconstituée par les électrons secondaires, permet de mettre en évidence la topologie de l’échantillon, tandis que l’image reconstituée par les électrons rétrodiffusés, permet de mettre en valeur les inhomogénéités chimiques. En effet, les zones dites « claires » vont correspondre aux éléments possédant un numéro atomique élevé et inversement. En plus de l’imagerie, il est possible d’identifier et de doser les différents composants chimiques de l’échantillon. Pour cela on utilise le système d’analyse des rayons X avec l’EDS. Le détecteur va quantifier la présence des éléments chimiques en comparant le spectre d’énergie obtenu avec les spectres d’émission X de chaque élément. Aucune séparation d’énergie n’étant effectuée sur le spectre brut, l’analyse de certains
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résultats doit être réalisée avec prudence du fait que certains atomes génèrent des raies d’émission proches.
Appareillage :
Les mesures ont été réalisées à l’aide d’un microscope électronique à balayage environnemental analytique de type FEI Quanta FEG 200 (PAC Balard). Ce microscope possède une résolution de 2,5nm pour une tension d’accélération électronique de 30kV et fournit des images d’une résolution de 4096 X 3536 pixels. Les échantillons sont placés sur un porte-échantillon tournant motorisé. Dans un premier temps, la chambre d’analyse est dépressurisée sous un vide faible (entre 10 et 130 Pa). Les échantillons ont été préparés en boite à gants ; les déchets ont été déposés sur un scotch en carbone.
Grâce à la résolution du MEB, les micrographies obtenues vont permettre une première identification visuelle des fibres d’amiante présentes dans les déchets. L’analyse EDS permettra de déterminer la composition des fibres (et du déchet). On pourra alors établir des hypothèses sur la nature des fibres observées.
Figure II.21 : MEB-EDS et son poste de contrôle
II.5.2 Microscopie électronique à transmission (MET)
Principe du MET :
De la même manière que le MEB la microscopie électronique à transmission va utiliser un faisceau d’électrons primaires. Cependant la manière dont le MET reçoit l’information diffère
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de celle du MEB. Le microscope électronique à transmission va visualiser les électrons qui parviennent à traverser l’échantillon (transmission). Pour cela l’échantillon doit être préparé (voir partie appareillage) et découpé afin que son épaisseur ne dépasse pas la centaine de nanomètres. Après avoir traversé l’échantillon les électrons viennent frapper un écran fluorescent (ou une caméra numérique) ce qui va produire une image. La figure II.22 nous montre la trajectoire simplifiée du faisceau depuis sa source jusqu’à la formation de l’image au plan image en passant par l’échantillon. Lors de ce trajet, le faisceau est diffracté en plusieurs petits faisceaux et ceux-ci sont concentrés à l’aide de lentilles magnétiques avant et après l’échantillon afin de former une image finale de l’échantillon. En sélectionnant un de ces faisceaux diffractés en particulier, on peut obtenir un contraste dit en "champ sombre" ou « dark field ». Selon l'orientation locale d'un cristal de l’échantillon (s’il est cristallin), celui-ci laisse alors passer les électrons en ligne droite. On peut donc obtenir un contraste clair, et s’il dévie les électrons on obtiendra un contraste sombre. De cette manière, il est possible de mettre en évidence les différentes aspérités d’un échantillon ainsi que les différentes orientations cristallines le cas échéant. Dans le cas d’un échantillon cristallin, on peut ainsi observer les différents grains ou dislocations du fait que les distorsions du réseau (notamment les défauts) vont induire des contrastes. Ces contrastes doivent ainsi être interprétés afin de comprendre leurs origines physiques.
En plus de l’image de l’échantillon, il est possible de s’intéresser à la diffraction des électrons. Il suffit de se placer au plan focal du faisceau (Figure II.22) pour obtenir alors la figure de diffraction comme on pourrait l’obtenir en diffraction des rayons X avec la méthode Debye-Sherrer. La figure de diffraction obtenue est analogue aux clichés de Laue (images déformées du réseau réciproque)
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Figure II.22 : Principe du fonctionnement du microscope électronique en transmission
Appareillage et intérêt du MET :
Les mesures ont été réalisées à l’aide d’un microscope de type JEOL 2200FS (PAC Balard) fonctionnant à 200 kV pour une résolution de 0,23 nm. Ce microscope est équipé d'un canon à émission de champ (FEG) et d'un filtre à énergie de type Omega en colonne. Pour éviter une longue exposition au faisceau d'électrons, tous les ajustements du microscope et du faisceau ont été effectués sur une partie dite « sacrificielle » de l'échantillon, et les images ont été obtenues avec la dose minimale d'électrons. Les échantillons ont été placés dans des moules d'inclusion plats et immergés dans de la résine blanche « fraîche » de type LR que l’on a laissée polymériser lentement à 37 °C. Les échantillons inclus dans la résine ont ensuite été coupés avec un couteau diamanté (Diatome) permettant d’obtenir des coupes ultraminces (80 nm), elles-mêmes placées sur des grilles de cuivre revêtues de carbone.
L’analyse par microscopie électronique à transmission a été choisie pour l’étude des tubes de silice (Cf. Chapitre IV). En effet, ces tubes étant creux, l’analyse par transmission permet de mettre en évidence cette forme spécifique. Grâce à sa haute résolution, le cliché de diffraction obtenu sur un nanotube permettra de mieux comprendre sa structure.
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