MICROSCOPIE

Microscopie électronique

Parmi les microscopes à radiations corpusculaires, seuls les microscopes électroniques sont très largement employés. Ils utilisent les propriétés ondulatoires des électrons accélérés auxquels peut être associée une longueur d'onde selon la relation de Louis de Broglie entre la longueur d'onde λ et la quantité de mouvement mv :

où h est la constante universelle de Planck égale à 6,62 × 10⁻³⁴ Js.

La longueur d'onde est d'autant plus courte que la vitesse des électrons, ou la tension sous laquelle ils sont accélérés, est plus grande. Pratiquement pour V₀= 200 kV, v = 0,695 c (où c est la vitesse de la lumière dans le vide) et λ = 2,5 pm (1 picomètre [pm] = 10⁻¹² m), soit environ 100 fois plus faible qu'une distance moyenne interatomique dans un solide.

Le fait d'utiliser des électrons au lieu de photons impose cependant un certain nombre de contraintes, même s'ils sont relativement faciles à obtenir et à accélérer par un champ électrostatique. En raison de leur fort pouvoir d'interaction avec la matière, ils ne se propagent librement que dans une enceinte à vide. Pour les dévier ou les focaliser, l'optique adaptée fait appel à des lentilles électroniques où des champs électriques ou magnétiques de révolution modifient leurs trajectoires.

Pratiquement, ce sont les travaux d'une équipe de pionniers à Berlin (Gabor, Ruska, Busch, Knoll, von Borries), à la fin des années 1920, qui ont conduit à l'obtention des premières images de microscopie électronique à transmission par Ernst Ruska en 1931. Ce premier instrument présentait une architecture très semblable au microscope photonique avec une source de rayonnement, une optique d'éclairement, l'échantillon préparé sous forme d'une lame mince de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, une optique de formation de l'image sur un écran d'observation fluorescent sous l'impact des électrons (ou sur une émulsion photographique destinée à son enregistrement). L'élément optique le plus important est alors la lentille objectif située juste après l'échantillon et qui en donne une première image dont les lentilles qui suivent fournissent un agrandissement sur le détecteur.

Cette conception générale du microscope électronique s'est maintenue jusqu'à aujourd'hui à travers plusieurs générations d'instruments commerciaux (Philips, Zeiss, JEOL, Hitachi, Topcon) aux performances régulièrement améliorées, qui permettent d'obtenir des images par transmission de la structure atomique d'échantillons solides minces avec une résolution à l'échelle atomique.

En 1939, Manfred von Ardenne introduisait le premier microscope électronique à balayage dans lequel l'image est construite point par point par déplacement d'une très fine sonde d'électrons sur la surface de l'échantillon et par visualisation sur un tube cathodique d'un spot dont l'intensité est modulée par la grandeur d'un signal résultant de l'interaction entre la sonde et l'échantillon. Par comparaison avec la famille de microscopes conventionnels décrits ci-dessus, l'élément important d'optique électronique dans un microscope à balayage réside dans la lentille située avant l'échantillon, chargée d'assurer la focalisation du faisceau primaire en un spot très étroit dont la taille gouverne en grande partie le pouvoir de résolution. En outre, il n'existe pas dans ce type de microscopes de lentilles grandissantes après l'échantillon. L'image est tout à fait équivalente à une image de télévision, le grandissement entre l'information perçue sur l'écran d'observation étant reliée aux dimensions explorées sur l'échantillon par le rapport des amplitudes de déplacement de la sonde sur l'échantillon et du spot sur le moniteur TV. Mais ce n'est qu'après les travaux de Cosslett et Nixon à Cambridge en 1953 que ces microscopes à balayage sont devenus commercialisés, et ils constituent maintenant près des deux tiers du parc de microscopes électroniques en fonctionnement. Leur grande commodité d'utilisation, leur souplesse pour visualiser des champs d'extension très variable sur des échantillons massifs, l'étendue de leur profondeur de champ en font un outil indispensable dans l'exploration du monde microscopique, et les laboratoires industriels y font très souvent appel.

À côté de ces deux principales familles de microscopes électroniques (M.E.T. : microscope électronique à transmission, ou T.E.M. en anglais d'une part, et M. [...]

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