Interaction du faisceau d'électrons avec l'échantillon
Le microscope électronique à balayage (MEB) produit des images en sondant l'échantillon avec un faisceau d'électrons focalisé qui est balayé sur une zone rectangulaire de l'échantillon (balayage en trame).
Il existe deux familles de canons à électrons :
Le canon à émission de champ (FEG) est utilisé pour produire un faisceau d'électrons de plus petit diamètre, plus cohérent et dont la densité de courant ou la luminosité est jusqu'à trois ordres de grandeur supérieure.
| Filament | W-tungstène | LaB6 | FEG (Schottky) | FEG froid |
| Taille de la source | 30-50 µm | 5 à 50 µm | 15 nm | 3 nm |
| Température (o C) | 1700-2400 | 1500 | 1500 | Ambiant |
| Coût | Peu coûteux | Cher | Cher | Cher |
| Vide (Torr) | 10-5 | 10-7 | 10-10 | 10-10 |
| Durée de vie | 180.200 | >1000 h | >1 an | >1 an |
| Luminosité | 106 | 107 | 108 | 109 |
| Courant d'émission (µA) | 100-200 | 50 | 50 | 10 |
| Δ E/E | 2,5 eV | 1,5 eV | 1 eV | 0,25 eV |
L'énergie des électrons dépend de la tension : 1 Kev à 50 KeV
Courant (A) : Nombre d'électrons / unité de temps
1 ampère = 1 coulomb/sec 1 coulomb ~ 6 x 10 18 électrons
Par exemple, si le courant mesuré à l'échantillon est d'environ 10-9 A à 10-12 A, alors le nombre d'électrons est d'environ 6X10 6 à 6X10 9 électrons/sec.
L'ESEM est une variante du MEB appelée microscope électronique à balayage environnemental. Il permet de produire des images d'une qualité et d'une résolution suffisantes, même avec des échantillons humides, placés sous vide primaire ou gazeux. Cela facilite grandement l'imagerie d'échantillons biologiques instables sous vide secondaire des microscopes électroniques conventionnels. Le principal inconvénient du microscope électronique à transmission est la nécessité de coupes extrêmement fines, généralement d'environ 100 nanomètres. Les échantillons biologiques doivent généralement être fixés chimiquement, déshydratés et inclus dans une résine polymère afin de les stabiliser suffisamment pour permettre une coupe ultrafine. Les coupes d'échantillons biologiques, de polymères organiques et de matériaux similaires peuvent nécessiter un traitement spécial avec des marqueurs atomiques lourds afin d'obtenir le contraste d'image requis.
L'ESEM est particulièrement utile pour les matériaux non métalliques, non revêtus et biologiques. La présence de gaz, principalement de l'argon, autour de l'échantillon permet de travailler à une pression supérieure à 500 Pa, contrairement aux exigences d'un MEB conventionnel, qui nécessite des échantillons sous un vide d'environ 10-3 à 10-4 Pa. Ce niveau de vide permet d'opérer sur des échantillons non conducteurs sans préparation ou sur des échantillons hydratés sans charge.
Dans un microscope électronique à transmission (MET), le faisceau d'électrons est accéléré par une anode, généralement à +100 keV (40 à 400 keV) par rapport à la cathode, focalisé par des lentilles électrostatiques et électromagnétiques, puis transmis à travers l'échantillon, lequel est en partie transparent aux électrons et en partie diffusant ces derniers hors du faisceau. À sa sortie de l'échantillon, le faisceau d'électrons véhicule des informations sur sa structure, agrandies par l'objectif du microscope.
La variation spatiale de cette information (l'« image ») peut être visualisée en projetant l'image électronique agrandie sur un écran fluorescent recouvert d'un phosphore ou d'un matériau scintillateur tel que le sulfure de zinc. L'image peut également être enregistrée photographiquement en exposant un film ou une plaque photographique directement au faisceau d'électrons, ou encore un phosphore haute résolution peut être couplé au capteur d'un appareil photo numérique par un système optique à lentille ou un guide de lumière à fibre optique. L'image détectée par l'appareil photo numérique peut être affichée sur un écran ou un ordinateur.
Un microscope électronique à transmission peut atteindre une résolution supérieure à 50 nm et des grossissements allant jusqu'à environ 10 000 000x, tandis que la plupart des microscopes optiques sont limités par la diffraction à une résolution d'environ 200 nm et à des grossissements utiles inférieurs à 2 000x. En général, la résolution d'image d'un MEB est inférieure d'au moins un ordre de grandeur à celle d'un MET. Cependant, comme l'image MEB repose sur des processus de surface plutôt que sur la transmission, elle permet d'imager des échantillons massifs jusqu'à plusieurs centimètres et (selon la conception et les réglages de l'instrument) offre une grande profondeur de champ, ce qui permet de produire des images représentant fidèlement la forme tridimensionnelle de l'échantillon.
Le microscope électronique à balayage en transmission (MET) projette une sonde incidente focalisée sur un échantillon qui, comme pour le MET, a été aminci pour faciliter la détection des électrons diffusés. La haute résolution du MET est ainsi possible en microscopie en transmission à balayage (STEM). La focalisation (et les aberrations) se produit avant que les électrons n'atteignent l'échantillon en MET, mais après en MET.
Le faisceau d'ions focalisé (FIB) est une technique utilisée notamment dans l'industrie des semi-conducteurs, la science des matériaux et, de plus en plus, dans le domaine biologique pour l'analyse, le dépôt et l'ablation de matériaux sur site. Un dispositif FIB est un instrument scientifique similaire à un microscope électronique à balayage (MEB). Cependant, alors que le MEB utilise un faisceau d'électrons focalisé pour imager l'échantillon dans la chambre, un dispositif FIB utilise un faisceau d'ions focalisé. Contrairement au microscope électronique, le FIB est intrinsèquement destructeur pour l'échantillon.
Lorsque les ions gallium de haute énergie frappent l'échantillon, ils projettent des atomes à la surface. Des atomes de gallium sont également implantés dans les quelques nanomètres supérieurs de la surface, la rendant ainsi amorphe. Un MEB-FIB est constitué d'un système doté de colonnes à faisceaux d'électrons et d'ions, permettant d'étudier la même caractéristique avec l'un ou l'autre des faisceaux. Un système MEB-FIB utilise un faisceau d'ions Ga+ pour creuser la surface afin de localiser une caractéristique ou un défaut d'intérêt. Le MEB intégré utilise ensuite un faisceau d'électrons focalisé pour imager l'échantillon dans la chambre.
