Document technique TEM-v01

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M ICROSCOPIE E LECTRONIQUE EN T RANSMISSION
(MET)
T RANSMISSION E LECTRON M ICROSCOPY
(TEM)
La microscopie électronique en transmission est proche dans son principe de la microscopie
optique. Cependant la longueur d’onde associée au faisceau d’électrons étant beaucoup plus faible
que celle d’un faisceau de lumière, la résolution en microscopie électronique s’en trouve nettement
améliorée. Il existe néanmoins des contraintes liées à l’utilisation des électrons : la présence d’un
vide poussé dans la colonne du microscope est indispensable, ainsi que l’utilisation d’échantillons
ultra-minces (épaisseur de l’ordre de 100 nm) afin d’être le plus possible transparent aux électrons.
I – APPLICATIONS
Tout échantillon aminci à partir de l’état massif ou préparé par évaporation, et compatible avec
l’ultravide (vide limite inférieur à 10
-7
hPa) peut être analysé par MET : polymères, métaux,
échantillons biologiques…
L’intérêt premier de la microscopie électronique en transmission est l’obtention d’informations
structurales et morphologiques. Une microanalyse chimique de la zone observée est également
possible via deux techniques : la perte en énergie des électrons (Electron Energy Loss Spectroscopy)
et la spectrométrie X dispersive en énergie (Energy Dispersive X-ray Spectrometry) ou en longueur
d’onde (Wavelength Dispersive X-ray Spectrometry).
Exemples d’application :
- mesure des épaisseurs de couches dans un empilement,
- étude de la répartition de charges dans une matrice organique,
- détermination de la nature chimique de phases,
- analyse cristallographique d’un échantillon cristallin : orientation cristalline, étude des défauts
structuraux (dislocations, fautes d’empilement)
…
II – PRINCIPE
Un faisceau d’électrons est focalisé sur la préparation à observer par l’intermédiaire de lentilles
électromagnétiques. Les interactions entre les électrons incidents et l’échantillon sont résumées
Figure 1.

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Les rayons X sont utilisés en microanalyse, les électrons secondaires et rétrodiffusés en microscopie
électronique à balayage (MEB). Dans le cas de la microscopie électronique à transmission, seuls les
électrons traversant la préparation sont analysés. On distingue à la sortie de l’échantillon trois types
d’électrons :
- les électrons transmis n’ayant pas interagi avec l’échantillon ;
- les électrons diffusés élastiquement (sans perte d’énergie) résultant de l’interaction des
électrons incidents avec les atomes de l’échantillon. Dans le cas où ce dernier est
cristallin, les électrons sont diffractés par les plans réticulaires selon la loi de Bragg
(relation (3)).
- les électrons diffusés inélastiquement (avec perte d’énergie) provenant de l’interaction
des électrons incidents avec les cortèges électroniques des atomes de l’échantillon.
La distinction entre les électrons transmis et les électrons diffusés permet de créer le contraste des
images en MET. Il est à noter que la diffusion inélastique des électrons est essentiellement
concentrée autour de la direction incidente, alors que le diffusion élastique est beaucoup plus étalée.
III – PREPARATION DES ECHANTILLONS
Afin que les électrons puissent traverser la préparation, et pour limiter les phénomènes
d’aberration chromatique liés à la lentille objectif (cf § VI – RESOLUTION), l’épaisseur de
l’échantillon à observer en MET doit être la plus petite possible. Sa valeur dépend de la tension
d’accélération V 0 des électrons et de la nature de l’échantillon : elle est typiquement de l’ordre de
100nm à 100kV et peut être de 3 à 5 fois plus épaisse dans le cas d’un microscope électronique à
haute résolution (HRTEM).
Les techniques de préparation des échantillons pour des observations par MET dépendent de la
nature des échantillons et de l’objectif de l’analyse. On distingue :
- les préparations par broyage, limitées aux minéraux faciles à broyer ;
- les coupes obtenues par ultramicrotomie à froid ou à température ambiante, pour les échantillons
biologiques et les polymères ;
- les préparations par polissage mécanique suivies d’un amincissement par dissolution chimique ou
par faisceau d’ions (Focused Ion Beam), utilisées par exemple dans le domaine de la
microélectronique ;
- les préparations par clivage, limitées à certains cristaux ;
- les répliques (ou empreintes) de surfaces de clivage, fractures…
électrons
diffusés
faisceau
transmis
électrons
rétrodiffusés
électrons
secondaires
faisceau
incident
échantillon
RX
Figure 1 : Schéma des interactions faisceau d’électrons - matière

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L’ultramicrotomie est la technique de préparation la plus répandue pour l’observation des polymères
en microscopie électronique. Elle peut être précédée par une étape de fixation ou marquage de
l’échantillon par des atomes lourds. Cela permet d’augmenter le contraste des images en MET par
une augmentation de la densité électronique (cf § V – CONTRASTE) : il y a alors réaction
chimique entre l’atome lourd et un groupement particulier du polymère ou absorption physique de
l’atome lourd. Il peut également être réalisé un enrobage de l’échantillon dans une résine. La nature
de la résine à utiliser (acrylique, époxy, polyester …) est alors fonction de la nature de l’échantillon
à enrober.
Les préparations minces obtenues doivent ensuite être amenées et maintenues sur la platine porte-
objet du microscope (cf § IV – APPAREILLAGE). Elles sont pour cela déposées sur une grille
métallique très fine (le plus souvent en cuivre) de 3mm de diamètre. Pour que les préparations ne
passent pas entre les barreaux des grilles, ces dernières sont préalablement recouvertes d’une fine
membrane amorphe. Cette membrane support doit satisfaire à trois conditions :
- être transparente aux électrons,
- supporter les effets du faisceau électronique,
- et ne pas introduire d’artefacts dans l’image MET.
Les membranes les plus souvent utilisées sont en collodion ou formvar. En microscopie
électronique à haute résolution (HRTEM), les membranes doivent être particulièrement résistantes
au faisceau d’électrons et sont en carbone.
IV – APPAREILLAGE
Les éléments de base formant un microscope électronique à transmission sont représentés Figure
2 et explicités par la suite.
Figure 2 : Représentation schématique d’un
microscope électronique à transmission
(1) Canon à électrons
(2) Anode
(3) Système condenseur et diaphragmes
(4) Echantillon
(5) Lentille objectif
(6) Diaphragme objectif
(7) Plan image de l’objectif (plan de Gauss)
(8) Système de projection
(9) Ecran d’observation
(10) Système de pompage

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IV-1- source d’électrons (points (1) et (2))
Les électrons sont produits par un canon à électrons. Il s’agit d’une cathode chaude à émission
thermoionique, ou d’une cathode froide à émission de champ (FEG). Dans le premier cas, les
électrons sont émis par effet Joule lors du chauffage d’un filament de tungstène ou d’hexaborure de
lanthane (LaB 6 ). Dans le second, les électrons sont arrachés par effet tunnel à une fine pointe
métallique (tungstène) soumise à un champ électrique élevé.
Les électrons sont accélérés par une tension positive V 0 stabilisée, acquérant ainsi une énergie E 0
définie par la relation (1) : E 0 =eV 0 (1)
avec e représentant la charge de l’électron.
La tension d’accélération V 0 appliquée entre cathode et anode est généralement comprise entre 50 et
120kV pour les microscopes dits conventionnels, et atteint 300kV pour les microscopes
électroniques à haute résolution (HRTEM).
La dispersion énergétique des électrons à la source dans le cas d’un canon à émission thermoionique
est due à l’énergie thermique additionnelle, proportionnelle à la température. Une source à émission
de champ est quasiment ponctuelle, présente une brillance beaucoup plus élevée (100 à 1000 fois
supérieure) et une dispersion en énergie plus faible (divisée par 5) que les sources à cathode chaude.
IV-2- système condenseur et diaphragmes (point (3))
Le système condenseur, constitué d’un ensemble de lentilles électromagnétiques associées à des
diaphragmes, permet une modification du mode d’éclairement de l’échantillon. Chaque lentille est
constituée d’un bobinage et d’un noyau de fer doux. La bobine parcourue par un courant électrique
stabilisé, génère un champ magnétique permettant le contrôle de la trajectoire des électrons dans la
colonne. Une variation du courant dans le bobinage modifie alors la convergence de la lentille,
définie par la relation (2) :
avec f : focale de la lentille, η : constante (rapport de la charge de l’électron sur la masse de
l’électron), V 0 : tension d’accélération des électrons, B(x) : champ magnétique dans l’entrefer.
La focale d’une lentille électromagnétique est donc inversement proportionnelle au champ
magnétique dans l’entrefer, c’est à dire au courant d’excitation parcourant la bobine.
Par ailleurs, la focale augmente avec la tension d’accélération V 0 donc avec l’énergie E 0 des
électrons.
IV-3- platine porte-objet et lentille objectif (points (4) et (5))
Le porte-objet, introduit dans la colonne du microscope via un sas d’introduction, est placé dans
l’entrefer des pièces polaires de la lentille objectif, et monté sur une platine goniométrique
motorisée autorisant un déplacement de l’échantillon dans les directions X, Y, Z et θ (simple ou
double tilt). Une observation d’échantillons congelés est rendue possible grâce à l’utilisation d’une
platine spécifique.
Par ailleurs, un anticontaminateur entourant l’échantillon permet d’améliorer le vide dans la
chambre, limitant ainsi les contaminations qui pourraient polluer l’échantillon et entraîner une
instabilité de l’image.
Le rôle de la lentille objectif est de focaliser le faisceau d’électrons sur l’échantillon à observer. Ses
caractéristiques jouent un rôle déterminant quant à la résolution offerte par l’instrument (cf § VI –
RESOLUTION).
(2)
∫
+∞
∞−
=(x)dxB
8Vf
1
2
0
η

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IV-4- diaphragme objectif (point (6))
Le diaphragme objectif, placé dans le plan focal de diffraction de l’objectif, est également appelé
diaphragme de contraste. En effet, son rôle est d’éliminer les électrons diffusés avec un angle
supérieur à α, α représentant l’angle d’ouverture de l’objectif. Plus le diaphragme objectif est petit,
et plus le contraste de diffusion sera marqué (cf § V – CONTRASTE). De plus, en limitant l’angle
d’ouverture du faisceau, le diaphragme objectif minimise les effets d’aberration sphérique liés à la
lentille objectif, mais dans ce cas introduit un phénomène de diffraction des électrons (cf § VI –
RESOLUTION).
IV-5- système de projection
Le système de projection est constitué de plusieurs lentilles électromagnétiques dont le rôle est
d’une part de transférer l’image (ou le diagramme de diffraction) de l’échantillon donnée par
l’objectif sur l’écran d’observation, et d’autre part de modifier le grandissement. Les microscopes
électroniques conventionnels proposent une gamme de grandissements allant de ×80 à ×300 000, et
jusqu’à ×1 000 000 pour les plus récents.
Deux modes de fonctionnement sont possibles :
- mode diffraction : le diagramme de diffraction est observé sur l’écran (dans le cas d’un
échantillon cristallin) si le plan objet du système de projection correspond au plan focal de
diffraction de la lentille objectif. Dans ce cas, il faut retirer le diaphragme objectif qui arrêterait les
rayons diffractés.
- mode image : l’image de l’échantillon est projetée sur l’écran si le plan objet du système de
projection correspond au plan image de la lentille objectif (i.e. plan de Gauss).
IV-6- écran d’observation
Il s’agit d’un écran fluorescent émettant de la lumière dans la gamme jaune-vert sous l’impact des
électrons. Les images observées sur l’écran peuvent être reproduites sur des films photographiques
disposés sous l’écran, les plans films devant par la suite être développés. Une technique plus récente
consistant à ajouter une caméra numérique à la colonne du microscope permet d’obtenir directement
une image numérique de l’image observée sur l’écran.
IV-7- système de vide
Les électrons étant rapidement absorbés par l’air, leur production et leur utilisation doivent avoir
lieu dans une enceinte sous vide. Le niveau de vide nécessaire est fonction de l’énergie des électrons
(donc de la tension d’accélération V 0 ), et de la nature du canon.
Pour un canon à émission thermoionique avec filament de tunstène, un vide de l’ordre de
4
10
−
à
7
10
−
hPa est suffisant. L’utilisation d’un filament d’hexaborure de lanthane implique un vide plus
poussé, et un fonctionnement en ultravide pour un canon à émission de champ.
En général, il est réalisé un vide plus poussé dans la partie supérieure de la colonne (canon à
électrons et chambre contenant les échantillons) afin de minimiser le risque de contamination de
l’échantillon, et pour permettre l’utilisation d’un canon à effet de champ. Cette partie est alors
séparée dynamiquement du vide secondaire de la chambre d’observation par un diaphragme
(système de pompage différentiel).