MEB - Microscopie électronique à balayage (SEM)

MEB - Microscopie électronique à balayage (SEM)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Microscopie_%C3%A9lectronique_%C3%A0_balayage

La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en anglais) est une technique de microscopie électronique basée sur le principe des interactions électrons-matière, capable de produire des images en haute résolution de la surface d’un échantillon.

Basé sur les travaux de Max Knoll et Manfred von Ardenne dans les années 1930, le principe du MEB consiste en un faisceau d’électrons balayant la surface de l’échantillon à analyser qui, en réponse, réémet certaines particules. Ces particules sont analysées par différents détecteurs qui permettent de reconstruire une image en trois dimensions de la surface.

Les travaux menés au laboratoire de Charles Oatley dans les années 1960 à l’université de Cambridge ont grandement contribué au développement des MEB et ont conduit en 1965 à la première commercialisation par Cambridge Instrument Co.[1] Aujourd’hui, la microscopie électronique à balayage est utilisée dans des domaines allant de la biologie aux sciences des matériaux et un grand nombre de constructeurs proposent des appareils de série équipés de détecteurs d’électrons secondaires et dont la résolution se situe entre 0,4 nanomètre[2] et 20 nanomètres.
Sommaire
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* 1 Principe général
* 2 Histoire
o 2.1 Travaux préliminaires
o 2.2 Premier microscope à balayage
o 2.3 Développement du microscope électronique à balayage
* 3 Interaction électron-matière
o 3.1 Électrons secondaires
o 3.2 Électrons rétrodiffusés
o 3.3 Électrons Auger
o 3.4 Rayon X
* 4 Instrumentation
o 4.1 Canon à électrons
+ 4.1.1 Brillance d’une source
+ 4.1.2 Émission thermoïonique : Filament de tungstène et pointes LaB6
+ 4.1.3 Canons à émission de champ
o 4.2 Colonne optique
+ 4.2.1 Colonnes pour canon à émission thermoïoniques
+ 4.2.2 Colonnes pour canon à émission de champ
o 4.3 Détecteur d’électrons secondaires
* 5 Préparation de l’échantillon
o 5.1 Échantillons métalliques
o 5.2 Échantillons biologiques
* 6 Différents types d’imageries
o 6.1 Imagerie en électrons secondaires
o 6.2 Imagerie en électrons rétrodiffusés
o 6.3 Imagerie en diffraction d’électrons rétrodiffusés
o 6.4 Imagerie en courant d’échantillon
o 6.5 Imagerie chimique élémentaire par spectrométrie de rayons X
* 7 Mesure sous vide partiel, microscope environnemental (ESEM)
* 8 Applications
o 8.1 Microélectronique, technologie des semiconducteurs et microfabrication
o 8.2 Science des matériaux
o 8.3 Biologie
o 8.4 Divers
* 9 Marché
* 10 Notes et références
* 11 Bibliographie
* 12 Liens externes

Le MEB : Microscope Electronique à Balayage



Un œil de mouche grossis 100, 1000 et 10 000 fois à l’aide d’un MEB (cliquer pour agrandir)

Images du Service commun de microscopie électronique de l’Institut Carnot de Bourgogne

Le microscope Electronique à Balayage (MEB en français ou SEM en anglais pour Scanning Electron Microscope) est un instrument scientifique permettant de réaliser des images de la surface d’objets en 3 dimensions avec une très haute résolution de l’ordre du nanomètre (milliardième de mètre). La résolution d’un instrument de grossissement est définit par la taille minimale détectable par l’œil humain sur l’image produite par cet instrument. Ceci signifie qu’une image produite par un MEB permet de différencier distinctement 2 points séparés de moins d’un nanomètre.



Depuis la fin des années 60, le MEB est un instrument commercialisé pour les instituts de recherche dans le monde qui ont besoin de « voir » à l’échelle nanométrique. Aujourd’hui, un MEB coûte entre 150 000 euros et presque un million d’euros pour les modèles ultra perfectionnés avec les logiciels appropriés.



Les microscopes optiques

Les microscopes « classiques », c’est-à-dire « optiques », utilisent des lentilles pour focaliser la lumière traversant un échantillon placé sur une lamelle de verre de manière à grossir l’image de l’objet. Ces microscopes ne peuvent donc observer que des échantillons « plats » et la résolution maximale de ces microscopes est de l’ordre de 200 nanomètres. Ceci signifie qu’il est impossible avec un microscope optique de discerner des détails inférieurs à 200 nanomètres. Cette limite physique s’explique par le fait que la lumière visible possède une certaine longueur d’onde (entre 400 et 700 nanomètres) et qu’il est impossible d’observer des détails ayant une taille inférieure à environ la moitié de cette longueur d’onde (voir la nature électromagnétique de la lumière pour plus de détails sur la lumière).

Un microscope optique et une cellule humaine vue à l’aide de ce microscope



Fonctionnement du MEB

Le MEB n’utilise plus la lumière comme vecteur pour « voir » mais un faisceau d’électrons comme son nom le laisse suggérer car la longueur d’onde des faisceaux d’électron est beaucoup plus petite que celle des photons. De plus, le rayon d'un faisceau d’électron peut avoisiner le nanomètre. Les MEB ont une résolution qui se situe entre 0,4 et 20 nanomètres (soit 500 fois plus que le meilleur microscope optique réalisable).

MEB hitachi

Un MEB commercialisé par Hitachi



Le principe général est en somme assez simple: l’échantillon à observer est balayé par un faisceau électronique et on vient détecter les électrons secondaires de très faible énergie qui sont produits suite au bombardement de l’échantillon. Ces électrons secondaires sont amplifiés, détectés puis interprétés pour reconstruire une image en fonction de l’intensité du courant électrique produit. Le MEB réalise donc une topographie de l’échantillon à analyser, c’est pourquoi le MEB fournit des images en noir et blanc où chaque nuance de gris est le résultat de l’intensité du courant détecté.



Un MEB est constitué des éléments suivants :

-Un canon à électron qui envoie un faisceau d’électrons (source d’électrons primaire).

-Une lentille magnétique qui focalise les électrons comme peut le faire une lentille optique avec la lumière de manière à obtenir un faisceau très fin et focalisé.

-Des bobines de balayage permettant balayer la surface de l’échantillon à observer avec le faisceau d’électrons. Ces bobines sont positionnées perpendiculairement de manière à faire parcourir des lignes au faisceau de la même manière que dans une télévision.

-Une pompe à vide permettant de faire le vide dans l’enceinte où se trouve l’échantillon. En effet, pour obtenir une mesure précise, il est important de faire le vide dans l’enceinte (environ 10-3 Pascal).

-Un détecteur permettant de détecter les électrons secondaires. Un détecteur d’Everhart-Thornley est généralement utilisé. Les électrons secondaires sont « captés » grâce à un champ électrique positif d’environ 500 Volts de manière à diriger les électrons vers un scintillateur convertissant ces derniers en photons. Les photons ainsi produits sont envoyés vers un photomultiplicateur via une fibre optique pour retransformer les photons en un nombre important d’électrons qui sera mesurable par un dispositif électronique classique. Ce type de détecteur est utilisé pour faire de l’imagerie en électron secondaire mais il existe d’autres techniques d’imagerie comme l’imagerie en diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD) ou l’imagerie en courant d’échantillon (EBIC).

fourmiTête d’une fourmi (cliquer pour agrandir)

image de l’Ecole Catholique d’Arts et Métiers de Lyon


Pour plus de détails sur les différents modes de fonctionnement des MEB, je vous suggère la lecture de ce cours de microscopie électronique donné par M. Perrin : http://www.cmeba.univ-rennes1.fr/Principe_MEB.html



Les applications

La Microélectronique et les nanotechnologies utilisent massivement le MEB comme outil d’observation. En revanche, pour l’observation et la manipulation d’atome individuellement, c’est un microscope à effet tunnel qui est utilisé dans les nanotechnologies. Les Sciences des matériaux ont recours au MEB pour étudier les micro-structures de matériaux ainsi que leur surface de manière à mieux comprendre certaines propriétés physiques et mécaniques.

Grains de pollen de quelques plantes communes grossis 500 fois (cliquer pour agrandir)

Image du collège de Darthmouth



La Biologie utilise également des MEB en plus des microscopes optiques traditionnels qui sont utilisés pour observer les cellules. Le MEB permet d’obtenir des images de micro-organismes comme des bactéries ou des virus. Il est également utilisé pour observer des détails de plantes ou d’insectes.


La question du jour : que représente l’image suivante prise au MEB :

(la réponse est désormais dans les commentaires)