Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La microscopie électronique à transmission (MET), en donnant de l’objet mince une image globale avec une résolution meilleure qu’un dixième de nanomètre, est une des techniques qui permettent l’étude des matériaux à l’échelle nanométrique. Elle est basée sur le fait que les électrons sont des particules chargées dont les trajectoires sont modifiables par l’action de champs magnétiques et électrostatiques. Après un descriptif de l’appareil, cet article expose les différentes méthodes de préparation des échantillons. Sont ensuite exposées les paramètres et les choix techniques existants lors de l’utilisation d’un MET, ainsi que les problèmes fréquemment rencontrés. Pour terminer, est introduite la méthode de diffraction en faisceau convergent.
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Transmission electron microscopy (TEM), which provides a global image of the thin object with a resolution higher/of less than a tenth of nanometer, is one of the techniques which allow for the study of materials at the nanometric scale. It is based on the fact that electrons are charged particles whose trajectories can be modified via the action of magnetic or electrostatic fields. After having described the device, this article presents the various preparation modes of the samples. It then proceeds to presenting the parameters to be considered and the technical choices to be made during the use of a TEM as well as the frequently encountered problems. It ends on the convergent- beam diffraction method.
Auteur(s)
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Miroslav KARLÍK : Czech Technical University in Prague
-
Bernard JOUFFREY : École Centrale Paris
INTRODUCTION
La microscopie électronique a été inventée par Knoll et Ruska en 1931. Depuis, cette technique a considérablement évolué et est devenue indispensable pour l'étude des matériaux à l'échelle nanométrique et des nanomatériaux proprement dits.
Il existe deux types de microscopes électroniques en transmission, le microscope en transmission qui donne de l'objet mince une image globale (MET – microscope électronique en transmission), et le mode en balayage, où une petite sonde explore l'objet (STEM – scanning transmission electron microscope). Les microscopes modernes ont de plus en plus tendance à permettre ces deux modes d'utilisation. Ce dossier décrit rapidement et de manière pratique les deux approches.
Cette technique n'existe que parce que les électrons sont des particules chargées dont les trajectoires peuvent être modifiées par l'action de champs magnétiques et électrostatiques. Les lentilles, sortes de solénoïdes, permettent, grâce à leur champ magnétique élevé mais modulable, de focaliser à volonté le faisceau d'électrons.
Le MET présente le grand intérêt de pouvoir donner, d'un objet mince, une image pouvant maintenant atteindre une résolution meilleure qu'un dixième de nanomètre. En une fraction de seconde, on peut passer d'une image de l'objet au diagramme de diffraction de la même région. Celui-ci peut être obtenu de plusieurs manières. La comparaison des différents modes permet de comprendre plus complètement la structure du matériau étudié.
La qualité des microscopes électroniques modernes est liée aux récentes améliorations concernant les sources d'électrons (l'émission de champ), le pilotage informatique, les lentilles magnétiques. Nous verrons que les aberrations, notamment l'aberration sphérique de l'objectif, peuvent être dorénavant corrigées.
Différentes techniques d'enregistrement des images ou des diagrammes de diffraction sont abordées dans ce texte.
Nous décrirons également les grandes méthodes de préparation des échantillons.
Ce dossier introduit des principes généraux et des ordres de grandeur. Une étude plus détaillée des bases théoriques de l'interaction électron-atome, électron-échantillon, de la diffraction est faite dans les dossiers [M 4 125] « Diffraction des métaux et alliages. Interactions particules-matière », [M 4 126] « Diffraction dans les métaux et alliages : conditions de diffractions », [M 4 127] « Diffraction électronique : illumination parallèle », Diffraction électronique dans les métaux et alliages : illumination convergente[M 4 128] « Diffraction électronique dans les métaux et alliages. Illumination convergente ».
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Préparation des échantillons
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1. Rapide descriptif de l'appareil
1.1 Microscope électronique en transmission
Le microscope électronique en transmission (MET), dit conventionnel, fonctionne, pour l'étude des matériaux, sous une tension accélératrice usuelle de 100 à 300 kV. Des tensions plus élevées ont été utilisées (jusqu'à 3 MV, à Toulouse), mais ce n'est pratiquement qu'au Japon que l'on trouve encore des appareils fonctionnant sous 1 à 2 MV.
Le MET donne d'un objet mince, traversé par des électrons rapides, une image globale. La colonne (figure 1) est constituée d'un canon à électrons, de l'accélérateur, de lentilles magnétiques (2 ou 3) qui forment l'ensemble condenseur, d'une lentille objectif, d'une ou deux lentilles intermédiaires, d'une lentille de projection (projecteur) et d‘une chambre d'observation et d'enregistrement de l‘image ou du diagramme de diffraction. L'intérieur de la colonne est sous un vide d'environ 10–3 à 10–5 Pa. Un vide plus propre et poussé est nécessaire autour du canon et aux alentours de l'échantillon, qui s'insère au milieu de la colonne, entre les pièces polaires de la lentille objectif.
HAUT DE PAGE1.2 Microscope électronique à balayage en transmission (STEM)
Dans le microscope électronique à balayage en transmission (STEM), le faisceau d'électrons est focalisé en une sonde très fine (qui peut atteindre le dixième de nanomètre environ dans les appareils très récents). Cette sonde explore l'échantillon point par point, comme dans un système de télévision. Le microscope (figure 2) est constitué de l'étage au-dessus de l'échantillon (objectif, condenseurs, canon) et des détecteurs au-dessous de l'échantillon. Sur l'écran d'observation, l'image est formée point par point, en phase avec le balayage de l'échantillon, comme dans un système de télévision. L'intensité provient du faisceau transmis (BF), diffracté (DF) ou diffusé à grande angle (HAADF : High angle annular dark field ). On peut également utiliser d'autres signaux, photons X ou cathodoluminescence. L'acquisition numérique du signal est propre à cette méthode. L'agrandissement de l'image est donné par le rapport entre la...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - OTTEN (M.T.) - Alignment of the Transmission Electron Microscope. - Philips Electron Optics (1993).
-
(2) - WILLIAMS (D.B.), CARTER (C.B.) - Transmission Electron Microscopy. - Plenum Press, New York (1996).
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(3) - ROSE (H.) - Correction of aberrations, a promising means for improving the spatial and energy resolution of energy-filtering electron microscopes. - Ultramicroscopy, 56, p. 11 (1994).
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(4) - KAWASAKI (T.), YOSHIDA (T.), MATSUDA (T.), OSAKABE (N.), TONOMURA (A.), MATSUI (I.), KITAZAWA (K.) - Fine crystal lattice fringes observed using a transmission electron microscope with 1 MeV coherent electron waves. - Applied Physics Letters, 76, p. 1342-1344 (2000).
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(5) - YAMAMOTO (K.), KAWAJIRI (I.), TANJI (T.), HIBINO (M.), HIRAYAMA (T.) - * - Journal of Electron Microscopy, 49(1), p. 31-39 (2000).
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(6) - HAIDER (M.), ROSE (H.), UHLEMANN (S.), SCHWAN (E.),...
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