Le microscope électronique à balayage

Sa grande commodité d’utilisation, sa souplesse pour visualiser des champs d’extension très variables sur des échantillons massifs, l’étendue de sa profondeur de champ font du MEB un outil indispensable dans l’exploration du monde microscopique.
Son utilisation est courante en biologie, chimie, médecine, géologie, métallurgie ainsi qu’en mécanique. Les premiers appareils ont été mis au point dans les années 40 mais les premiers appareils commerciaux ont été disponibles vers le milieu des années 60.

Les électrons secondaires

Les électrons secondaires sont créés par le passage d’un électron incident près d’un atome. L’électron incident peut transmettre une partie de son énergie à un électron peu lié de la bande de conduction provocant ainsi une ionisation par éjection de ce dernier électron. L’énergie cinétique de ce dernier ne peut excéder 50 eV. Chaque électron incident peut créer plusieurs électrons secondaires.
De part leurs faibles énergies, seuls les électrons secondaires émis proche de la surface (< 10 nm) peuvent s’échapper de l’échantillon et être recueillis par le détecteur. La moindre variation topographique va modifier la quantité d’électrons secondaires collectés.
 

Les électrons rétro-diffusés

Les électrons rétro-diffusés sont causés par la collision entre un électron incident et un atome de l’échantillon. Ce sont des électrons primaires qui ont réagi de façon élastique avec des noyaux d’atomes de l’échantillon. Ils sont dispersés dans toutes les directions avec une faible perte d’énergie.
Du fait de leur forte énergie, les électrons rétro-diffusés récupérés peuvent provenir d’une plus grande profondeur que celle des électrons secondaires. Ils ont une sensibilité topographique nettement inférieure.
Du fait de leur origine, la quantité d’électrons rétro-diffusés croît avec le numéro atomique des atomes constitutifs de la cible.

Les Rayons X (ou photons X)

L’émission d’un photon X permet à un atome ionisé sous l’impact du faisceau d’électrons, de revenir à l’état fondamental. Quand un électron d’une couche interne d’un atome a été éjecté, un électron d’une couche plus externe va combler la lacune. La différence d’énergies entre ces deux couches va provoquer l’émission d’un photon X.
Les photons X possèdent une énergie caractéristique propre à chaque élément qui les a émis. Ces photons sont recueillis et classés suivant leurs énergies (EDS) ou leurs longueurs d’onde (WDS) pour donner des informations sur la composition de l’échantillon. Ils sont très pénétrants et sont émis d’une poire d’interaction de l’ordre du micron cube.

3 - Le détecteur d’électrons secondaires

La détection des électrons secondaires s’effectue grâce à un détecteur dont on doit le principe à Everhart et Thornley (1960). Ce détecteur utitlise un des meilleurs systèmes d’amplification de courant : le photomultiplicateur.

Les électrons secondaires sont attirés par le collecteur (+ 300V) et sont ensuite accélérés vers le scintillateur (10 kV) qui absorbe les électrons et émet des photons. Ceux-ci arrivent dans le photomultiplicateur à travers un guide de lumière. Dans le photomultiplicateur, les photons sont convertis en électrons qui vont très vite se multiplier grâce à une succession de dynodes.

Le gain de ce détecteur est de l’ordre de 106.

4 - Le détecteur d’électrons rétro-diffusés

Le détecteur d’électrons rétro-diffusés est constitué de diodes silicium. Il comporte deux secteurs sensibles de même surface (A=B). Cela permet 2 modes de fonctionnement :

A+B : mode composition
Les images obtenues d’un échantillon poli mettent en évidence les phases qui le constituent.

A-B : mode topographique
Les signaux provenant de la composition s’annulent et il reste ceux venant de la topographie qui s’ajoutent.

5 - Le détecteur de rayons X (EDS)

Le détecteur de rayons X est un détecteur en énergie. Il s’agit d’une diode silicium dopé au lithium.

Chaque photon qui arrive dans la diode va provoquer en sortie une impulsion de tension proportionnelle à l’énergie de ce photon X.

Le spectre X obtenu est un histogramme du nombre des impulsions en fonction de leur hauteur (c’est-à-dire de l’énergie des photons X).

6 - La formation de l’image

Dans un microscope électronique à balayage, l’image est obtenue séquentiellement point par point en déplaçant le faisceau d’électrons primaires sur la surface de l’échantillon. L’image est alors reconstruite en utilisant le signal généré par les différents détecteurs pour moduler la brillance d’un tube cathodique.

Le rapport entre le format de l’écran et celui de la zone balayée sur l’échantillon détermine le grandissement.

Le microscope électronique à balayage (MEB) est un appareil d’analyses, pouvant fournir rapidement des informations sur la morphologie et la composition chimique d’un objet solide.