chapitre 2 : microscopie - Département de génie chimique

2.1 Microscopies GCH 740
Techniques de caractérisation des matériaux
CHAPITRE 2 : MICROSCOPIE
INTRODUCTION................................................................................................................................................. 4
2.1. MICROSCOPIE OPTIQUE.................................................................................................................. 5
2.1.1. TYPES DE MICROSCOPIE OPTIQUE.................................................................................................... 5
2.1.1.1. La microscopie en lumière directe ................................................................................................... 6
2.1.1.2. La microscopie en contraste de phase.............................................................................................. 6
2.1.1.3. La microscopie à fluorescence ......................................................................................................... 6
2.1.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MICROSCOPE OPTIQUE ........................................................ 7
2.1.2.1. Schéma du microscope .................................................................................................................... 7
2.1.2.2. Résolution du microscope............................................................................................................... 11
2.1.2.3. Résolutions théoriques des microscopes optiques.......................................................................... 12
2.1.2.4. Vision microscopique ..................................................................................................................... 12
2.1.3. PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS................................................................................................... 14
2.1.3.1. Lumière réfléchie............................................................................................................................ 14
2.1.3.2. Lumière transmise .......................................................................................................................... 16
2.1.4. APPLICATIONS ............................................................................................................................... 17
2.1.4.1. Mesures........................................................................................................................................... 17
2.1.4.1.1. Mesure des longueurs................................................................................................................................17
2.1.4.1.2. Mesure de surfaces....................................................................................................................................18
2.1.4.1.3. Mesure de profondeurs..............................................................................................................................18
2.1.4.2. Structure interne des matériaux de construction (d’après M. Regourd)........................................ 19
2.1.4.3. Examen optique des métaux ........................................................................................................... 20
2.1.4.3.1. Technique de préparation des surfaces......................................................................................................20
2.1.4.3.2. Observations..............................................................................................................................................21
2.1.4.4. Métallographie quantitative ........................................................................................................... 23
2.1.5. TECHNIQUES DE POLARISATION ET DE MICROSCOPIE INTERFÉRENTIELLE................ 24
2.1.5.1. Technique de polarisation (réflexion) ............................................................................................ 24
2.1.5.2. Technique de polarisation (transmission) ...................................................................................... 26
2.1.5.3. Le microscope interférentiel ........................................................................................................... 27
2.1.5.4. Le microscope à contraste de phase............................................................................................... 28
2.1.5.4.1. Contraste de phase par transmission..........................................................................................................28
2.1.6. MATÉRIEL ET LIMITES D’UTILISATION................................................................................... 32
2.1.6.1. Récapitulation du matériel existant ................................................................................................ 32
2.1.6.2. Le microscope binoculaire ............................................................................................................. 39
2.1.6.3. Effet stéréoscopique sur un microscope à binoculaire et mono objectif ........................................ 40
2.1.6.4. Quelques fabricants........................................................................................................................ 41
2.1.7. BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 1.1 ....................................................................................................... 42
2.2. MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE.................................................................................................. 43
2.2.1. PRINCIPES DE BASE.......................................................................................................................... 43
2.2.1.1 Canon à électron ............................................................................................................................. 45
2.2.1.1.1 Émission thermo-ionique............................................................................................................................46
2.2.1.1.2 Description d'un canon à électron...............................................................................................................48
2.2.1.1.3 Chauffage du filament................................................................................................................................49
2.2.1.1.4 Nature du filament......................................................................................................................................50
2.2.1.1.5 Autre canon à électron................................................................................................................................51
2.2.1.2 Lentille électronique ........................................................................................................................ 52
2.2.1.2.1 Lentille magnétique....................................................................................................................................52
2.2.1.2.2 Aberrations.................................................................................................................................................53
2.2.2 MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE ................................................................................ 54
1

2.2 Microscopies GCH 740
Techniques de caractérisation des matériaux
2.2.2.1 Principe de fonctionnement ............................................................................................................. 54
2.2.2.1.1 La colonne..................................................................................................................................................56
2.2.2.1.2 La chambre de l'échantillon........................................................................................................................57
2.2.2.1.3 Le système de pompage .............................................................................................................................57
2.2.2.1.4 L'électronique de contrôle ..........................................................................................................................58
2.2.2.2 Théorie de formation des images..................................................................................................... 59
2.2.2.3 Modes de fonctionnement ................................................................................................................ 61
2.2.2.3.1 Fonctionnement en électrons secondaires ..................................................................................................61
2.2.2.3.2 Fonctionnement en électrons rétrodiffusés.................................................................................................64
2.2.2.3.3 Modes de fonctionnement divers................................................................................................................66
2.2.2.4 Préparation des échantillons........................................................................................................... 69
2.2.2.4.1 Métaux et céramiques.................................................................................................................................69
2.2.2.4.2 Grains de poudre et fibres ..........................................................................................................................69
2.2.2.4.3 Matériaux hydratés.....................................................................................................................................69
2.2.2.4.4 Influence des contaminants de surface des échantillons.............................................................................70
2.2.2.4.5 Conclusion de la préparation des échantillons............................................................................................71
2.2.2.4.6 Conductibilité électrique superficielle........................................................................................................72
2.2.2.5 Applications et limites d'utilisation.................................................................................................. 75
2.2.2.5.1 Applications générales ...............................................................................................................................75
2.2.2.5.2 Exemples d'applications .............................................................................................................................75
2.2.2.5.3 Résolution (JEOL JSM 84OA)...................................................................................................................75
2.2.2.5.4 Limites d'utilisation....................................................................................................................................76
2.2.4 MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À TRANSMISSION ........................................................................ 78
2.2.4.1 Principe de fonctionnement ............................................................................................................. 78
2.2.4.2 Théorie de formation des images..................................................................................................... 79
2.2.4.2.1 Effet de l'échantillon sur le contraste..........................................................................................................79
2.2.4.2.2 Effets dus à l'instrument .............................................................................................................................81
2.2.4.2.3 Le contraste de diffraction..........................................................................................................................83
2.2.4.2.4 Profondeur de champ..................................................................................................................................86
2.2.4.2.5 Profondeur de foyer....................................................................................................................................87
2.2.4.3 Interprétation de l'image d'un cristal .............................................................................................. 87
2.2.4.3.1 Cas d'un cristal parfait................................................................................................................................87
2.2.4.3.2 Cristal réel ..................................................................................................................................................89
2.2.4.3.3 Matériaux polycristallins............................................................................................................................91
2.2.4.3.4 Matériaux monocristallins..........................................................................................................................93
2.2.4.3.5 Images de réseaux cristallins......................................................................................................................95
2.2.4.4 Préparation des échantillons........................................................................................................... 95
2.2.4.4.1 Poudres.......................................................................................................................................................95
2.2.4.4.2 Films superficiels .......................................................................................................................................96
2.2.4.4.3 Matériaux massifs.......................................................................................................................................96
2.2.4.4.4 Polissage.....................................................................................................................................................97
2.2.4.4.5 Amincissement final...................................................................................................................................97
2.2.4.5 Applications et limites d'utilisation.................................................................................................. 98
2.2.4.5.1 Ajout d'un détecteur à dispersion d'énergie (EDS).....................................................................................98
2.2.4.5.2 Possibilité de réunir un microscope à balayage et à transmission dans le même appareil..........................98
2.2.4.5.3 Usages généraux.........................................................................................................................................98
2.2.4.5.4 Exemples d'applications .............................................................................................................................99
2.2.4.5.5 Échantillon .................................................................................................................................................99
2.2.4.5.6 Limites........................................................................................................................................................99
2.2.6 BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 2.2 ..................................................................................................... 100
2.3 MICROSCOPIE À CHAMP PROCHE ........................................................................................... 102
2.3.1 MICROSCOPIE À EFFET TUNNEL (STM) ....................................................................................... 102
2.3.1.1 Le principe du microscope à effet tunnel....................................................................................... 102
2

2.3 Microscopies GCH 740
Techniques de caractérisation des matériaux
2.3.1.2 Aspect expérimental....................................................................................................................... 103
2.3.1.3 Les pointes ..................................................................................................................................... 108
2.3.1.4 Exemples d’images ........................................................................................................................ 111
2.3.1.5 Annexe 1 ........................................................................................................................................ 113
2.3.2 MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE (AFM) ................................................................................. 117
2.3.2.1 Principe : ....................................................................................................................................... 117
2.3.2.2 Imagerie AFM ............................................................................................................................... 120
2.3.2.3 Spectroscopie de forces:................................................................................................................ 122
2.3.3 CELLULE ÉLECTROCHIMIQUE....................................................................................................... 123
2.3.3.1 STM................................................................................................................................................ 123
2.3.3.2 AFM............................................................................................................................................... 124
2.3.4 BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 2.3................................................................................................ 124
3

2.4 Microscopies GCH 740
Techniques de caractérisation des matériaux
INTRODUCTION
La microscopie est un ensemble de techniques permettant d'obtenir une image des structures
à l’échelle microscopique. Le principe est dans tous les cas le même : une onde est envoyée
sur la préparation ou émise par la préparation. Cette onde est captée par un objectif qui la
concentre et passe par un oculaire qui crée une image observable. Cette image est soit
observée à l’œil nu, soit photographiée, soit enregistrée par caméra CCD et stocké sur
ordinateur pour retraitement.
L'image obtenue est beaucoup plus qu'un instantané de la préparation. Les techniques de
révélation permettent aujourd'hui d'identifier de façon précise toutes sortes de molécules et
les photographies (sur pellicules ou numériques) peuvent être analysées pour des études
quantitatives (taille, nombre et emplacement des éléments observés).
Il n'y a pas une technique microscopie mais plusieurs dizaines aboutissant à des résultats
différents. Il n'y a aucune comparaison entre les images plates et peu contrastées d'un
microscope en contraste de phase, celles très fines d'un microscope électronique ou les
reconstitutions multichromes en 3D d'un microscope confocal., toutefois seule la première
technique permet de travailler sur des tissus vivants.
Aujourd'hui la microscopie est divisée en deux grands groupes, différents par la nature de la
particule élémentaire impliquée :
• le microscope optique, aussi appelé photonique, parce qu'il utilise des photons,
• le microscope électronique qui utilise des électrons pour étudier l'objet,
• le microscope à champ proche qui utilise la force atomique et l’effet tunnel.
Bref historique : de microscopie optique à effet tunnel
Jusqu’à la fin du siècle dernier, les scientifiques pensaient atteindre l’observation de
l’infiniment petit en augmentant sans cesse le grandissement des microscopes optiques, tout
en réduisant les phénomènes perturbateurs. Le critère de Rayleigh ruina tous leurs espoirs en
établissant que la taille du plus petit détail détectable ne peut être inférieure à la demi
longueur d’onde λ de la lumière utilisée. Parmi les trois solutions classiques permettent
d’augmenter la résolution : augmentation de l’indice de propagation, augmentation de l’angle
d’ouverture du système collecteur et diminution de la longueur d’onde, la dernière fut retenue
en utilisant des rayonnements tels que les rayons X (Roentgen en 1895) ou les rayons γ. Sans
grand succès!
Trente ans plus tard, les résultats de Louis de Broglie sur la dualité onde-corpuscule furent
mis en application par Busch (1927) afin de produire des images en focalisant un faisceau
d’électrons. Mais c’est à Ruska que reviendra la paternité du premier microscope
4

2.5 Microscopies GCH 740
Techniques de caractérisation des matériaux
électronique, point de départ des générations de microscopes à balayage (Oatley 1950) et à
transmission (Crewe 1968). Bien que la résolution de tels microscopes ait formidablement
augmentée (d’un facteur 100 par rapport à un microscope optique classique), ceux-ci
travaillent toujours dans un domaine que les opticiens nomment le « champ lointain ».
En optique, il a en effet été établi que le champ électromagnétique émis ou réfléchi par un
objet se compose de deux parties : une onde progressive et une onde non radiative
évanescente. Les hautes fréquences spatiales de l’objet (supérieures à 2/λ) produisent le
champ évanescent : si on veut accéder à ces informations fines, il faut donc détecter les
composantes non radiatives au voisinage immédiat de l’objet, à l’aide d'une sonde. On
travaille alors en « champ proche » et la microscopie devient à « sonde locale », ce qui est le
cas de la microscopie STM.
En 1986, le prix Nobel de Physique récompensa Gerd Binnig, Heinrich Rohrer et Ernst
Ruska ; les deux premiers pour des travaux très récents, le troisième pour des travaux vieux
de plus de 50 ans! En exploitant le principe de l’effet tunnel, Binnig et Rohrer montrèrent en
1983 des images à l’échelle atomique d’une surface de silicium balayée à l’aide d’une pointe
métallique. Ruska, en 1931, avait réalisé le premier microscope électronique. Deux
découvertes prestigieuses, et deux principes différents.
2.1. MICROSCOPIE OPTIQUE
2.1.1. Types de microscopie optique
La technique de microscopie optique est la plus ancienne utilisée. Elle est également celle
dont il existe le plus de variantes. Le principe est le suivant, la préparation est éclairée par
une lampe. Les molécules à observer vont interagir avec la lumière de plusieurs façons :
• soit en absorbant certaines longueurs d'onde de la lumière. C'est la microscopie en
lumière directe.
• soit en provoquant un déphasage des différents rayons lumineux. C'est la microscopie
en contraste de phase.
• soit en émettant de la lumière à une autre longueur d'onde que celle d'origine. C'est la
microscopie à fluorescence.
Donc il existe trois types de la microscopie optique :
• La microscopie en lumière directe
• La microscopie en contraste de phase
• La microscopie à fluorescence
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