Microscopie électronique en transmission - Définition

La microscopie électronique en transmission (MET ou TEM en anglais pour Transmission Electron Microscopy) est une technique de microscopie basée sur le principe de diffraction des électrons et pouvant atteindre un grossissement de x5 000 000. Le principe du microscope électronique en transmission a été mis au point en 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska, ce dernier a d'ailleurs reçu le prix Nobel de physique en 1986 pour cette invention.

Elle consiste à placer un échantillon suffisamment mince sous un faisceau d'électrons utilisé en faisceau cohérent, et de visualiser soit l'hologramme obtenu qu'est la figure de diffraction dans le plan focal de l'objectif, soit d'utiliser une autre lentille pour obtenir la figure transformée de Fourier de la figure de diffraction observable par l'impact des électrons sur un écran fluorescent ou de l'enregistrer sur une plaque photo.

La limite de résolution dépend de la longueur d'onde de De Broglie des électrons, donc de leur tension d'accélération, elle serait donc de l'ordre de grandeur du picomètre dans un cas idéal. Mais en raison des fortes aberrations elle n'est en réalité que de quelques Ångstroms.

Une erreur courante consiste à dire " microscope électronique à transmission " (par analogie avec le " microscope électronique à balayage "). Cette erreur est fréquente dans le milieu scientifique, et même dans des livres ! Il s'agit bien d'un microscope en transmission (on observe l'échantillon en transparence, en transmission).

Principe de base

Il existe une certaine analogie entre le microscope électronique en transmission et le microscope optique à lumière directe.

C'est le rayonnement utilisé qui diffère principalement dans les deux cas :

Le microscope optique utilise comme rayonnement des photons (lumière extérieure). Un système de lentilles optiques permet de dévier ou focaliser le rayon lumineux qui traverse un échantillon "relativement fin". L'image obtenue se forme directement sur la rétine de l'observateur.
Le microscope électronique en transmission utilise, lui, comme rayonnement des électrons. Un système de lentilles magnétiques permet de dévier ou focaliser le rayon d'électrons sur un échantillon "extrêmement fin". L'image (ou cliché de diffraction) obtenue peut être vue sur un écran fluorescent, enregistrée sur un film photographique ou bien détectée par un capteur CCD.

Note : Par analogie au microscope "électronique" (=qui utilise des électrons), le microscope "optique" devrait plutôt être appelé "photonique" car il utilise des photons comme source de rayonnement.

Le microscope électronique en transmission a deux principaux modes de fonction suivant que l'on obtient une image ou un cliché de diffraction :

mode image

Le faisceau d'électrons traverse l'échantillon. Suivant l'épaisseur, la densité ou la nature chimique de celui-ci, les électrons sont plus ou moins absorbés. En plaçant le détecteur dans le plan image, on peut, par transparence, observer une image de la zone irradiée. C'est ce principe qui est utilisé, en autre, en biologie, pour observer des cellules ou des coupes minces d'organes.

mode diffraction 

Ce mode utilise le comportement ondulatoire des électrons (onde de Broglie) (ceci est modélisé par la physique quantique). Lorsqu'ils rencontrent de la matière organisée (des cristaux), ils vont donc être diffractés, c'est-à-dire déviés dans certaines directions dépendant de l'organisation des atomes. Le faisceau est diffracté en plusieurs petits faisceaux, et ceux-ci se recombinent pour former l'image, grâce à des lentilles magnétiques (électro-aimants qui dévient les électrons).

Description

Un microscope électronique en transmission se compose :

• d'un système de pompes à vide ;
• d'un système de refroidissement à azote ;
• d'un canon à électron composé d'une source d'électrons, d'un système de focalisation et d'un accélérateur d'électrons ;
• d'une colonne optique électronique contenant les lentilles magnétiques et les diaphragmes ;
• d'un porte échantillon ;
• d'un détecteur d'électrons ;
• éventuellement d'autre éléments électroniques de mesure.

Préparation des échantillons

La préparation des échantillons pour une observation au microscope électronique en transmission est une phase très importante. C'est elle qui déterminera en partie la qualité des résultats obtenus. Le faisceau d'électrons devant traverser l'échantillon, son épaisseur doit être idéalement de l'ordre de quelques nanomètres. Suivant l'utilisation que l'on fait du MET (biologie ou science des matériaux), la technique de préparation des échantillons diffère.

Biologie

Les échantillons sont sous la forme de lames minces et sont placés sous ultravide. En biologie, la lame mince s'obtient en faisant une coupe (ultra microtome). Une technique de microcleavage a permit d'obtenir des profils de multicouches : Microcleavage transmission electron microscopy applied to the interfacial structure of multilayers and microstructure of small particles on a substrate

Coloration négative

Les échantillons minces (de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur) sont adsorbés sur une grille métallique recouverte d'un film de carbone fin (quelques nanomètres). Ce sont typiquement des complexes protéiques ou des virus. L'excès d'eau est absorbé à l'aide d'un papier buvard. Une solution contenant un agent contrastant, tel du tetroxyde d'osmium ou de l'acétate d'uranyl, est ajouté sur la grille pendant quelques secondes puis absorbé. Celui-ci va se fixer préférentiellement au bord des particules adsorbées. De par sa forte masse atomique, le contrastant dévie les électrons dans le diaphragme objectif. Ainsi l'échantillon biologique apparaît plus clair que ce qui l'entoure, d'où le nom de coloration négative. L'échantillon apparait blanc sur un fond sombre sur les photographies.

Ombrage rotatif

Cette technique également appelée "ombrage réplique" est une technique de MET qui étudie le relief des structures. Elle consiste en la vaporisation d'une couche très fine de platine, avec un angle précis, sur l'échantillon maintenu en rotation. Cette couche de platine, consolidée avec une couche de carbone également très fine, est ensuite décollée de l'échantillon puis observée directement par dépôt sur les grilles d'observations.

Métallographie

En métallurgie, elle s'obtient par un découpage minutieux (par exemple avec une scie à fil diamanté), puis un amincissement. La technique la plus courante consiste en phase finale à faire un cratère, un trou traverse la lame de part en part, et l'on regarde les bords minces du trou.

Systèmes d'illumination

En microscopie électronique, l'illumination des échantillons est faite au moyen d'électrons. La source d'électron est appelée canon ou cathode. Il en existe de plusieurs types. Selon les systèmes, le faisceau d'électrons sera plus ou moins cohérent, c'est-à-dire que les électrons seront plus ou moins en phase. Un faisceau cohérent augmente la résolution des images.

Canon thermique

Une pointe de métal en forme de V est chauffée à haute température. Ainsi les électrons présents dans le métal se déplacent très vite. Un petit nombre d'électrons arrivent tellement à l'angle du V qu'ils sont éjectés du métal. Simultanément un champ électrique de l'ordre de grandeur de 100 kV est appliqué. Les électrons qui sont sortis du métal sont accélérés par le champ électrique en direction de l'échantillon. D'une manière générale le canon à chauffage ne donne pas un faisceau très cohérent. Cela est dû au fait que la vitesse, et donc l'énergie cinétique des électrons émis, suit une distribution gaussienne. Il en découle une aberration chromatique.

Il existe des filaments en tungstène et en hexaborate de lanthanum. Ces derniers sont beaucoup plus chers mais fournissent une meilleure cohérence.

Canon à émission de champ (en anglais Field Emission Gun ou FEG)

Ce canon consiste également en une pointe de tungstène cristallin extrêmement acérée. Elle n'est pas chauffée mais, en revanche, un champ électrique important est appliqué (2 à 7 kV). De ce fait, les électrons émis ont une variabilité énergétique très faible. Le faisceau est donc très cohérent.

Le vide présent dans ce genre de microscope doit être extrêmement poussé. Si ce n'est pas le cas, la pointe du canon chauffe très fortement et se casse. Cette exigence particulière fait des FEG des machines très coûteuses et délicates.

Modes d'imagerie

Mode en champ clair

L'écran est placé dans le plan image. On observe une image agrandie de l'objet. Ce mode est surtout utilisé pour observer des objets principalement irréguliers, des cellules biologiques par exemple.

Mode faible dose

Ce mode est un mode en champ clair optimisé pour l'observation d'échantillons sensibles aux électrons. Il est indispensable à l'étude d'échantillons biologiques observés dans un état hydraté vitreux. Il permet d'irradier au minimum la zone de l'échantillon que l'on veut micrographier. Le principe de ce mode est le suivant. À faible grossissement (environ 5 000 x), on sélectionne une zone d'intérêt dans l'échantillon. À ce grossissement, on n'irradie que très faiblement l'objet (la dose électronique est proportionnelle au carré du grossissement). À partir de ce positionnement, la zone d'exposition et la zone de mise au point sont définies. Elles sont distantes de quelques micromètres l'une de l'autre. La mise au point nécessite d'irradier l'échantillon pendant une durée de plusieurs secondes au grossissement final (typiquement 40 000 x). Cela détériore l'échantillon et c'est pourquoi on le fait à une certaine distance de la zone d'exposition. Cette dernière zone n'est irradiée au grossissement final que le temps d'enregistrer une micrographie (environ 1 seconde).

Mode diffraction

Au lieu de s'intéresser à l'image formée, on peut s'intéresser à la diffraction des électrons. En se plaçant dans le plan focal du faisceau et non plus dans le plan image (simplement en changeant la tension dans les lentilles électro-magnétiques), on obtient la figure de diffraction, semblable aux clichés de Laue obtenus en diffraction de rayons X. On peut ainsi visualiser les directions dans lesquelles vont les électrons et ainsi caractériser les cristaux (organisation des atomes, orientation...).

Voir aussi : Théorie de la diffraction.

Mode en champ sombre

En sélectionnant un faisceau diffracté particulier pour former l'image, on obtient un contraste dit " en champ sombre " (dark field). Selon l'orientation locale d'un cristal, soit celui-ci laisse passer les électrons en ligne droite, auquel cas on a un contraste clair, soit il dévie les électrons et l'on obtient un contraste sombre.

Supposons que, pour un cristal, le faisceau soit presque en conditions de diffraction : le faisceau n'est pas dévié ; il traverse donc le cristallite sans encombre et celui-ci apparaît clair. Si maintenant la maille est localement distordue par un défaut (par exemple une dislocation), alors le faisceau se trouve localement en condition de diffraction et est dévié. Cette zone de défaut apparaît sombre.

Microscopie à haute résolution (HRMET)

Certains électrons sont déviés (diffractés), d'autres sont transmis en ligne directe. Si l'on fait interférer un faisceau transmis en ligne directe avec un faisceau diffracté, on obtient une figure d'interférence. Les contrastes sur l'image obtenue sont donc directement corrélés au potentiel projeté de l'échantillon. Suivant la défocalisation et la taille de l'échantillon, cette corrélation change. Une simulation de la figure d'interférence est alors nécessaire pour interpréter l'image obtenue et dire si les colonnes atomiques sont situées sur les points blancs, noirs ou entre les deux. Il ne faut pas croire qu'une image HRMET est une simple photographie où les points blancs (ou noirs) sont des atomes. Ces images, après traitements, nous permettent tout de même de tirer des informations sur l'organisation cristalline ainsi que les défauts qui s'y trouvent (joints de grain, dislocations...).

Microscopie en transmission à balayage (METB)

Cette technique, aussi appelée STEM (scanning transmission electron microscopy), consiste à donner un mouvement de balayage au faisceau. Le principal avantage est de pouvoir faire une analyse élémentaire des rayons X émis par les atomes sous l'effet des électrons (voir l'article sur la microsonde de Castaing pour plus de détails) et ainsi dresser une cartographie chimique de la partie analysée.

Aberrations

Si le microscope électronique en transmission était parfait, sa résolution serait de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des électrons. Pour des électrons accélérés à environ 100 kV, elle serait de l'ordre du picomètre (10^-12 m). Cependant l'optique électronique est bien moins efficace que l'optique photonique. La résolution pratique est de quelques Angström.

Aberration chromatique

Lorsqu'un électron traverse une lentille, il subit un changement de direction. L'ampleur de la déviation dépend de la longueur d'onde de ce dernier (c'est-à-dire de son énergie, de sa couleur). Or les électrons composant le faisceau ne possèdent pas tous la même longueur d'onde. On dit que le faisceau n'est pas monochromatique. De ce fait, l'image d'un point ne sera pas un point mais un disque.

Le faisceau n'est pas monochromatique pour deux raisons. Premièrement, au niveau du canon, les électrons émis ont une énergie qui varie autour d'une certaine valeur (variation chromatique). Deuxièmement, au moment où il traverse l'échantillon, un électron du faisceau peut subir des chocs inélastiques avec des électrons composant l'échantillon. Dans ce cas, l'électron du faisceau perd de l'énergie.

Aberration sphérique

L'angle de déviation des électrons est également proportionnel à la distance entre le centre de la lentille et l'endroit où les électrons traversent cette lentille. Mais la relation n'est pas linéaire et les électrons qui passent loin du centre de la lentille sont trop déviés et par conséquent focalisés en avant.

Astigmatisme

La lentille ne dévie pas les électrons de la même manière selon leur direction initiale. Si la lentille objectif est astigmatique, un point sur l'objet aura pour image une ligne.