Qu’est-ce qu’un microscope électronique à balayage (MEB) ?
Un microscope électronique à balayage (MEB) est un type de microscope électronique qui permet d’observer l’état de surface d’un échantillon en irradiant l’échantillon avec un faisceau d’électrons et en détectant les électrons secondaires émis par l’échantillon.
La microscopie électronique à balayage permet d’observer des structures même minuscules qui sont difficiles à observer avec un microscope optique. Elle est donc utilisée dans un large éventail de domaines tels que l’ingénierie des matériaux et la biochimie.
Utilisations des microscopes électroniques à balayage (MEB)
Le grossissement des microscopes électroniques à balayage peut être porté à plusieurs centaines de milliers de fois, et la résolution à plusieurs nm. Il présente également l’avantage d’une grande profondeur de champ, ce qui facilite l’observation des irrégularités de l’échantillon.
La limite de grossissement en microscopie optique est d’environ 1 000 fois et la limite de résolution est d’environ 150 nm. La microscopie électronique à balayage permet donc d’observer avec un grossissement et une résolution beaucoup plus élevés que la microscopie optique.
De plus, contrairement aux images obtenues avec les microscopes optiques, les microscopes électroniques à balayage fournissent des images tridimensionnelles avec contraste, dans lesquelles le plan perpendiculaire à la direction d’incidence du faisceau d’électrons est plus sombre et plus le plan parallèle est proche, plus l’image devient lumineuse, ce qui permet une observation intuitive.
Tirant parti de ces caractéristiques, les microscopes électroniques à balayage sont utilisés pour observer l’état de surface de divers matériaux tels que les semi-conducteurs et les céramiques, les micro-organismes tels que les bactéries et les virus, et les spécimens biologiques tels que les cellules. En revanche, les microscopes électroniques à transmission sont généralement utilisés pour observer la structure interne des échantillons.
Principe de la microscopie électronique à balayage (MEB)
Dans un microscope électronique à balayage, un faisceau d’électrons accélérés est focalisé sur la surface d’un échantillon et irradié. Les électrons secondaires (SE) et les électrons rétrodiffusés (BSE) générés lors de l’irradiation sont détectés et analysés, et l’état de l’échantillon peut être observé sous forme de données d’image par balayage (scanning) de l’ensemble de la zone d’observation.
La résolution peut être augmentée jusqu’à quelques nm en augmentant la tension d’accélération et l’énergie des électrons irradiés. L’augmentation de la tension d’accélération augmente la résolution, mais une tension d’accélération trop élevée entraîne généralement des problèmes tels que l’influence des électrons réfléchis provenant de positions plus profondes dans l’échantillon et le chargement (charge-up), de sorte que des tensions d’accélération de plusieurs kV à plusieurs dizaines de kV sont généralement utilisées.
Les électrons secondaires sont des électrons éjectés de la surface de l’échantillon lorsqu’un faisceau d’électrons est appliqué.
L’état des électrons diffère en fonction des irrégularités de l’échantillon, ce qui crée un contraste dans les données d’image obtenues par la mesure des électrons secondaires et permet d’observer les irrégularités de la surface et la forme des particules.
Les électrons rétrodiffusés, quant à eux, sont des électrons qui rebondissent suite à l’interaction d’un faisceau d’électrons avec un atome.
La réflectance des électrons émis diffère selon l’atome. La mesure des électrons rétrodiffusés renforce le contraste pour chaque type d’atome et permet d’observer la répartition des atomes dans l’échantillon.
Structure des microscopes électroniques à balayage (MEB)
Un microscope électronique à balayage se compose principalement d’un canon à électrons qui émet des faisceaux d’électrons, d’une lentille électronique qui focalise les faisceaux d’électrons sur la surface de l’échantillon et d’un détecteur qui détecte les électrons secondaires et les électrons rétrodiffusés.
Il existe trois types de canons à électrons : à émission thermique d’électrons, à émission de champ et de type Schottky, chacun ayant des caractéristiques différentes. Les lentilles électroniques sont généralement du type dans lequel un courant électrique passe à travers une bobine et le faisceau d’électrons est contrôlé par un champ magnétique, et il en existe différents types, y compris les systèmes à lentille externe et à lentille interne.
L’intérieur du microscope électronique à balayage est maintenu dans un vide poussé d’environ 10^-4 Pa pendant la mesure, mais ces dernières années, certains microscopes ont été développés pour mesurer dans des conditions de vide faible (environ 10^2 Pa) ou à la pression atmosphérique. Ils sont souvent utilisés dans le domaine biologique où des échantillons à forte teneur en humidité sont utilisés.
Autres informations sur les microscopes électroniques à balayage (MEB)
1. Préparation des échantillons pour les microscopes électroniques à balayage (MEB)
Les microscopes électroniques à balayage peuvent être utilisés pour mesurer une large gamme d’échantillons, mais certains d’entre eux nécessitent une préparation de l’échantillon et des conditions de mesure appropriées.
Échantillons isolants
Lors de l’utilisation d’échantillons isolants, la surface de l’échantillon peut être chargée par le faisceau d’électrons irradié. L’électrification peut entraîner des images déformées et des contrastes anormaux, ce qui peut rendre difficile l’obtention de données d’image précises. Pour éviter la charge, il est nécessaire de prendre des mesures telles que le revêtement de la surface de l’échantillon avec une fine pulvérisation de métal, l’observation à de faibles tensions d’accélération ou dans des conditions de vide réduit.
Échantillons qui s’évaporant ou se sublimant sous vide poussé
L’évaporation ou la sublimation dans des conditions de vide poussé modifie non seulement la structure et la forme de l’échantillon, mais peut également entraîner une défaillance de l’équipement. Pour éviter cela, il est efficace de prendre des mesures telles que la mesure sous vide poussé. De plus, les échantillons biologiques et les autres échantillons contenant beaucoup d’eau nécessitent souvent un prétraitement séparé, même pour l’observation sous vide faible.
Échantillons magnétiques
Lors de l’utilisation d’échantillons magnétiques, si la distance entre la lentille électronique et l’échantillon est trop faible, l’échantillon sera magnétisé, ce qui rendra difficile l’ajustement du faisceau d’électrons, et pour les échantillons de grande taille, il est possible que l’échantillon se détache du support et soit absorbé par la lentille. Pour éviter cela, il est nécessaire d’utiliser un microscope électronique à balayage dans lequel l’échantillon et l’objectif sont hors-lentille et l’échantillon est fixé avec des vis ou de la colle.
Observation de l’intérieur d’un échantillon
Si vous souhaitez observer l’intérieur d’un échantillon sans utiliser le mode transmission, il faut traiter l’échantillon à l’aide d’un faisceau d’ions focalisés (FIB) ou similaire et observer la section transversale.
2. Principaux dispositifs d’analyse attachés aux microscopes électroniques à balayage (MEB)
Lorsqu’un échantillon est irradié par des faisceaux d’électrons accélérés, des signaux tels que les électrons de transmission, les rayons X, la cathodoluminescence et les électrons absorbés, ainsi que les électrons secondaires et les électrons rétrodiffusés peuvent être obtenus. Un analyseur peut être installé pour détecter ces signaux.
Électrons transmis
Si l’échantillon est suffisamment fin ou si le matériau est particulaire, une partie des électrons irradiés peut être transmise et détectée sous forme d’électrons transmis. Ce phénomène est généralement mesuré par un microscope électronique à transmission ou par un instrument de mesure indépendant tel qu’un microscope électronique à transmission à balayage (MEB), bien qu’ils soient parfois dotés d’un mode de transmission. L’observation des structures internes n’est pourtant pas le fort des microscopes électroniques à balayage.
Rayons X
Lorsqu’un atome est irradié par un faisceau d’électrons, des rayons X sont parfois émis en plus du faisceau d’électrons. Ces rayons X ont une énergie propre à chaque atome. En détectant les rayons X émis, il est donc possible d’identifier le type d’atome présent à la surface de l’échantillon.
Il existe deux types de détecteurs de rayons X : les détecteurs de rayons X à dispersion d’énergie (EDS) et les détecteurs de rayons X à dispersion de longueur d’onde (WDS), Chacun possède des caractéristiques différentes et doit être sélectionné en fonction de l’objectif visé.
Cathodoluminescence
La cathodoluminescence est la lumière émise lorsqu’un échantillon est irradié par un faisceau d’électrons. Elle peut être détectée pour mesurer les propriétés cristallines de l’échantillon, telles que les défauts cristallins, les impuretés et la concentration en porteurs.
Diverses autres fonctions peuvent être ajoutées en ajoutant des options. Par rapport aux mesures effectuées à l’aide d’un appareil de mesure indépendant, cette méthode présente l’avantage de pouvoir sélectionner la position de mesure tout en visualisant l’image du microscope électronique à balayage, ce qui permet d’effectuer des mesures plus détaillées.