Chapitre 2 La microscopie avancée et les techniques complémentaires
2.1. Principe de base de la microscopie électronique
Dans un microscope électronique, un faisceau d’électrons monocinétique est focalisé sur un échantillon. Les interactions électrons-matière génèrent plusieurs types d’émissions ou modifient les propriétés du faisceau primaire, signaux qui sont captés par différents détecteurs fournissant de multiples informations sur l’échantillon (morphologie, composition chimique, topographie, structure cristalline). En 1924, De Broglie (De Broglie, 1924) fut le premier à théoriser le fait que les électrons pouvaient se comporter comme des ondes et que la longueur d’onde obtenue serait alors bien inférieure à celle des photons dans la lumière visible. Cette découverte fut confirmée expérimentalement peu de temps après par (Davisson and Germer, 1927) et (Thomson and Reid, 1927). En effet théoriquement, la plus petite distance δ qui peut être résolue12 est définie par le critère de Rayleigh :
𝛿 = 0,61 𝜆
µ 𝑠𝑖𝑛 𝛽 (1)
avec l’index de réfraction du milieu le demi-angle de collection et la longueur d’onde. Ce qu’il faut retenir de cette équation est que la longueur d’onde limite la résolution maximale que l’on peut obtenir (Figure 2.1). Pour une tension de 300 keV au, MET on obtient une longueur d’onde de 2 picomètres (=1.22/E1/2) ce qui est bien inférieur à la taille d’un atome13. L’utilisation d’un faisceau électronique permet donc en théorie d’obtenir des images de plus haute résolution. Cependant les électrons ne se comportent pas comme les photons et le développement d’outils de focalisation fut nécessaire à la construction des premiers microscopes électroniques. Ces lentilles électromagnétiques ne sont jamais parfaites, et la résolution théorique maximale ne peut être atteinte. Néanmoins certaines corrections des aberrations induites par les lentilles électromagnétiques peuvent être corrigées et ainsi permettre d’atteindre la résolution atomique.
12 C’est à dire que l’on est capable de séparer deux objets placer à cette distance
13 L’utilisation de la lumière visible verte (~500 nm) en revanche donne une résolution maximale de 300 nm. Bien
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65 Figure 2.1 : Illustration du critère de Rayleigh. En haut la tâche d’Airy montre que deux objets trop rapprochés peuvent être confondus en un seul si la longueur d’onde est plus grande que leur distance de séparation. En bas illustration du problème de la longueur d’onde : lorsque la distance entre les objets α est inférieure à la longueur d’onde θ les deux signaux se superposent.
2.1.1. L’optique électronique du MEB
Pour obtenir un faisceau d’électrons cohérent, les microscopes électroniques à balayage sont constitués d’une colonne optique qui est constituée comme suit (Figure 2.2): Le canon à électrons produit une source stable en intensité (1-40 keV). Les électrons produits passent ensuite dans le reste de la colonne sous vide. Ce vide permet de limiter la dispersion du faisceau électronique en diminuant les interactions avec des éléments extérieurs. Le faisceau est focalisé sur l’échantillon à l’aide de lentilles électromagnétiques. Ces bobines électromagnétiques appelées condenseur vont dévier la trajectoire des électrons incidents et permettre de les faire converger en un point. La distance de focalisation peut alors être réglée en changeant le courant de la bobine. Avant d’arriver sur l’échantillon, une série de bobines constituent la partie « objectif » du microscope. Les bobines déflectrices vont permettre de dévier le faisceau afin de faire balayer le faisceau sur l’échantillon. La lentille objective va permettre elle aussi de gérer la focalisation sur l’échantillon, mais surtout de sélectionner le grossissement et la projection de l’objet.
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66 Figure 2.2 : Schéma de la constitution d’un microscope électronique à balayage.
2.1.1.1.
Les nouvelles sources FEG
Dans le cas des canons conventionnels (filament tungstène ou source LaB6), l’extraction des électrons est régie par une émission thermo-électronique, c’est-à-dire qu’ils sont émis à partir de la chauffe d’un matériau. Dans le cas des canons à effet de champs (FEG) de type Schottky (utilisé dans nos travaux), la présence d’un champ électrique intense, couplé à la chauffe, permet l’émission par effet tunnel des électrons. La chauffe permet de dépasser la barrière de Fermi (niveau d’énergie nécessaire à l’extraction des électrons). Un fort champ est appliqué pour abaisser ce potentiel et permettre une émission plus intense des électrons. Ces canons engendrent des densités de courant supérieures aux sources conventionnelles, un diamètre du point de focalisation plus petit (~15nm), une brillance (relatif à l’angle solide) plus forte et une distribution en énergie plus contrainte.
Ces sources FEG peuvent être installées sur tous les microscopes électroniques. Malgré tout, si la nouvelle génération de MEB avec de telles sources est de plus en plus répandue, les microsondes électroniques de nouvelle génération tardent à arriver dans les laboratoires.
2.1.2. L’imagerie électronique au MEB
L’imagerie électronique est basée sur la détection de deux types de rayonnement. Il s’agit des électrons rétrodiffusés (BSE, « Back-Scattered Electrons ») et des électrons secondaires (SE, pour « Secondary Electrons »).
Imagerie BSE : Les électrons primaires sont déviés suite à l’interaction avec les noyaux atomiques de l’échantillon et ressortent de l’échantillon. La distribution en énergie de ces électrons est caractérisée par un pic à l’énergie incidente (E0) et un continuum se répartissant sur des énergies plus faibles liées à de faibles pertes d’énergie (<E0).
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67 L’image SE : Les électrons incidents éjectent des électrons situés sur les couches externes des atomes. Cette interaction est inélastique et les électrons générés ont typiquement une énergie inférieure à 50 eV.
La majorité des images obtenues dans ce travail est basée sur le signal BSE. Ce signal est sensible au numéro atomique moyen et donc à la chimie de l’échantillon. Une forte intensité BSE indique la présence d’atomes avec une section efficace d’interaction élevée, donc de fort numéro atomique. À l’inverse dans les échantillons de faible Z, les sections efficaces sont plus petites. Cette différence de coefficient de rétrodiffusion (nombre d’électrons rétrodiffusés/nombre d’électrons incidents) permet d’obtenir des images en contraste chimique. Les grains de métal dans les météorites riches en fer et en nickel (Z moyen élevé) apparaitront clairs sur les images BSE tandis que les olivines magnésiennes (Z moyen plus faible) apparaîtront plus sombres.
Les électrons secondaires peu énergétiques proviennent de la première dizaine de nanomètres (profondeur moyenne d’échappement). Le contraste est donc majoritairement contrôlé par la surface du matériau. Leur utilisation nous permettra d’imager l’état de surface de nos échantillons et d’éviter les artefacts lors de l’analyse par EDX.