Cours Techniques de Caractérisation 2024-2025 (PDF)

Master : Biotechnologie Médicale Module 234 : Nanobiotechnologie Cours techniques de caractérisation : diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie électronique en transmission (MET) Bahcine BAKIZ...

Master : Biotechnologie Médicale Module 234 : Nanobiotechnologie Cours techniques de caractérisation : diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie électronique en transmission (MET) Bahcine BAKIZ 2024/2025  Plan de cours Partie I : Interaction rayonnement matière & Diffraction des rayons X Partie II : Microscopie électronique à balayage Partie III : Microscopie électronique en transmission 1  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Étude de système Système à étudier Rayonnement Signaux ‘émis’ par le système Rayons Infra rouge Rayons X, Neutrons, électrons Champ radiofréquence Contiennent de l’information Champ magnétique : RMN sur les caractéristiques Lumière polarisée du système 2  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Types de rayonnements Deux types de rayonnements Rayonnements Rayonnements électromagnétiques corpusculaires Constitués par un champ électromagnétique sinusoïdal :  Constitués par des particules de  de fréquence  (période T=1/  ) masse m et animées d’une vitesse v.  de longueur d’onde  ( = C/ ).  L’énergie cinétique de la particule  Se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière c est : E = ½ m v2 (3.108 ms-1).  L’énergie est quantifiée sous forme de photons  LOUIS DE BROGLIE a montré  Chaque photon transporte une énergie E (en j) : qu’à toute particule en mouvement, E = h. = h.c/λ Relation de PLANK-EINSTEIN on peut lui associer une onde de h = constante de Plank (6,62 x 10 J s) -34 longueur d’onde  : c = vitesse de la lumière dans le vide λ = longueur d’onde de la radiation en m  = h/mv 3  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Types de rayonnements 4  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Types de rayonnements Rayonnements électromagnétiques Rayonnements corpusculaires 5  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques 6  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques  11 Km Km 11 m m 11 cm cm 111mm mm mm 100nm 100 nm 11 nm nm 0,01nm 0,01 nm Énergie visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques E (eV) = 1239,856 /  (nm) 7  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques LES RAYONS COSMIQUES visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques Énergie  Proviennent du soleil et de l’espace interstellaire et intergalactique < 10-14 m  Rayonnement le plus énergétique, 8  Arrêté par l’atmosphère.  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques LES RAYONS γ visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques Énergie 10-11 à 10-14 m  Proviennent de la radioactivité ou des processus nucléaires(noyaux des atomes)  Provoquent des brûlures, cancers et mutations génétiques 9  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques LES RAYONS X visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques Énergie 10-8 à 10-11 m  Proviennent des électrons des atomes  Imagerie médicale et radiocristallographie 10  Traversent la peau et arrêtés par les os  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques LES RAYONS UV, VISIBLES et IR visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques Énergie 5 x 10-4 à 10-8 m  Proviennent du soleil et de lampes spécifiques  Technique de caractérisation des molécules UV : Stérilisation Visible : Lumière que l’on voit = couleur IR : Vision de nuit, thermographie, communication à distance, 11 robotique et dans les fibres optiques.  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques LES MICRO-ONDES visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques Énergie 0,001 à 0,1 m ou 300 à 3 GHz  Formées à partir d’un courant électrique  Fours à micro-ondes, transmission par satellite, 12 radars, télévision par câble, téléphonie mobile  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Rayonnements électromagnétiques LES ONDES RADIO visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques Énergie > 0,1 m ou 3Hz à 300 GHz  Transmission d’information (radio, télévisions, radars), médecine et science (IRM et RMN) 13  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Interaction électron-matière Lorsque le faisceau d’électron entre en collision avec le matériau de Échantillon mince l’échantillon il va pénétrer à l’intérieur et il y’aura production :  Électrons secondaires  Électrons rétrodiffusés  Rayons X  Électrons Auger  Cathodoluminecence  Électrons transmis e- transmis  Électrons diffusés élastiquement e- diffusés e- diffusés inélastiquement élastiquement  Électrons diffusés inélastiquement 14  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Interaction électron-matière Échantillon épais Lorsque le faisceau d’électron entre en collision avec le matériau de l’échantillon il va pénétrer à l’intérieur et il y’aura production :  Électrons secondaires  Électrons rétrodiffusés  Rayons X  Électrons Auger  Cathodoluminecence 15  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Interaction rayonnement matière Interaction électron-matière Types d’interactions :  Interactions élastiques : Sans transfert d’énergie entre électrons incidents et échantillons (électrons rétrodiffusés, électrons transmis et électrons diffusés élastiquement),  Interactions inélastiques : Avec transfert d’énergie entre électrons incidents et échantillons (RX, électrons secondaires, électrons Auger et électrons diffusés inélastiquement). 16  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Comment voir la structure de la matière ?  Pour voir un objet de taille d il faut un rayonnement dont la longueur d’onde associée  est telle que :  < d exemple : avec la lumière visible, la résolution limite est de l’ordre de 0,5 m  Pour observer la structure de la matière à l’échelle atomique il faut donc un rayonnement tel que  ≈ 0,1 nm  Rayonnement électromagnétique avec  ≈ 0,1 nm : rayons X  Problème : on ne sait pas faire de microscope à rayons X 17  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Qu’est-ce qu’un rayon X ? visible ondes micro- IR UV rayons rayons rayons radio ondes X γ cosmiques Énergie 10-8 à 10-11 m E (eV) = 1239,856 /  (nm) 18  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Qu’est-ce qu’un rayon X ? faisceau d’e– incidents rayons X e– rétrodiffusés e– Auger e– secondaires matériau Tout matériau soumis à un bombardement électronique d’énergie suffisante émet (entre autres) des rayons X 19  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Qu’est-ce qu’un rayon X ? Ionisation Désexcitation radiative MV MIV MIII e– MII MI (E0) photon LIII LII LI K 20  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Qu’est-ce qu’un rayon X ? Découverts par Roentgen (Nobel) : 8/11/1895 Première image médicale : 22/12/1895 Film radiologique Comportement différents : os / chairs 21  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Propriétés des rayon X ?  Les rayons X ont une longueur d’onde de 1 Å environ  Même ordre de grandeur que la distance interatomique  Adaptée à l’étude des structures moléculaires 22  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Déterminer la structure des molécules biologiques à l’échelle atomique grâce à la cristallographie Klug (2004) J Mol Biol Structure de l’ADN déterminée Cliché de diffraction d’une fibre formée de par James Watson and Francis molécules d’ADN Crick, Prix Nobel 1962 Rosalind Franklin and Raymond Gosling 23  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction La Bio-cristallographie Cristaux de protéine L’empilement géométrique de nombreuses protéines pures permet de mesurer un cliché de diffraction. Celui-ci permettra de remonter à la densité électronique de la protéine, et donc de proposer une structure, La structure de nombreuses protéines a été déterminée par diffraction des rayons X de cristaux de ces protéines. Étude de la structure des ribosomes et leur fonctionnement à l'échelle 24 atomique (Yonath & Ramkrishnan & Steitz, Prix Nobel 2009),  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Introduction Mais pourquoi la diffraction des rayon X ? La diffraction des rayonnements est une technique d’investigation des solides Détermination des positions relatives des atomes avec une précision de 0,001 Å Détermination de l’organisation structurale des atomes La façon dont les atomes s’organisent au sein de la matière conditionne les propriétés physiques d’un matériau :  optiques, conduction électrique, magnétiques, mécaniques …  transitions de phases… 25  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Principe  Quelles sont les conditions de diffraction ? 1 2  Distance d A  C interatomique B Plan atomique atomes Les ondes 1 et 2 interfèrent constructivement (càd qu’elles donnent naissance à un pic de diffraction sur le détecteur) si la différence de chemin parcouru entre elles est  = n  26  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Principe  Loi de Bragg 1 2   d A  C B Différence de chemin parcouru entre les ondes 1 et 2:  = AB + BC = 2 AB or AB = d sin  Donc  = 2 d sin  Interférences constructives si différence de chemin parcouru = n  27 donc n = 2dhkl sin  (Loi de BRAGG)  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Principe Loi de Bragg Intensité maximale si la différence de marche : 2 d(hkl) sin = n.  avec n = ordre de diffraction Cette théorie a été élaborée par W.L. Bragg et G.Wulff : Un faisceau de rayons X incident de longueur d'onde λ, ne sera réfléchi par une famille de plan (h, k, l) que dans la mesure où il rencontre ces plans sous un certain angle θ dit angle de Bragg tel que : Relation de Bragg : 2 d sin =  n = 1 ; diffraction de 1er ordre 28  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale La direction des plans atomiques responsables d’une diffraction 29  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Schéma de principe du diffractomètre de rayons X Échantillon en poudre sur une plaque d’aluminium Faisceau Monochromateu de Rayons X r avant   Rotation de l ’échantillon pas par pas et mesure de l ’intensité diffractée pour chaque pas angulaire 30  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Schéma de principe du diffractomètre de rayons X Source RX détecteur  2 31  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Filtres Exemple de diffractomètre de laboratoire 32  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Différents types de montage pour acquérir un diffractogramme k 2 k0 k k0 (fixe)    RX Montage  - 2 Montage  -   Source RX mobile (-)  Source RX fixe  détecteur mobile (+)  échantillon fixe  détecteur mobile (2)  possibilité de contrôler  échantillon mobile () l’environnement 33  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Résultat d’une expérience de diffraction des rayons X : Diffractogramme Nombre de photons X détectés (Intensité) Echantillon avec une seule phase minérale 34 Angle 2  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Diffraction d’un rayonnement VO2 standard VO2 nanostructuré Chaque raie peut être Intensité (u.a.) caractérisée par : 27,25 27,50 27,75 2 theta (°) 28,00 28,2  sa position  son intensité 35  sa forme  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale La position des pics et leur intensité relative permet de remonter à la nature du minéral grâce à des bases de données 400 000 composés : - inorganiques - organiques 36  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Détection et identification de phases minérales Principe Structure cristalline : Groupe d’espace Pics de diffraction à des angles Paramètres de maille } bien précis Intensité relative des pics de diffraction Nature des atomes C’est le nuage électronique des atomes et positions constituant le cristal qui diffuse les rayons X En théorie : une structure  un diagramme 37  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Identification minérale Cela marche aussi pour un mélange de plusieurs phases minérales 38  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Intensité diffractée La loi de Bragg exprime une condition nécessaire pour qu'il y ait diffraction mais ce n'est pas une condition suffisante. Le faisceau diffracté doit avoir une intensité non nulle L'intensité diffractée peut se mettre sous la forme I(hkl) = A. F(hkl)2 Fhkl : facteur de structure pour la diffraction considérée, A : fonction de l'angle de Bragg et de divers autres paramètres I(hkl) = A. F(hkl)2 ≠ 0 F(hkl) ≠ 0 39  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Intensité diffractée Facteur de structure Le facteur de structure F est donnée par la relation suivante : F (hkl)   f je 2 i  ( x j h  y j k  z jl ) j  = ensemble des centres diffusants constituant le motif. xj yj zj = coordonnées des centres diffusants. fj = facteur de diffusion du centre j pour le plan (hkl). F(hkl) =  fj [(cos2(hxj+kyj+lzj) + isin(2(hxj+kyj+lzj)] F(hkl) peut s’annuler à cause du mode de réseau de la maille élémentaire et des éléments de symétrie de translation. 40 Extinctions systématiques de certaines raies  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Intensité diffractée Facteur de structure c Application au cubique simple : mode P 1 nœud : x = 0 ; y    z = 0 b a F (hkl) =  fj [(cos2(hxj+kyj+lzj) + i sin(2(hxj+kyj+lzj)] F (hkl) = f. [(cos0 + isin0)] = f F (hkl) ≠ 0 ∀ h, k, l Réflexion  Pas d ’extinction. 41  Toutes les raies apparaissent.  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Intensité diffractée Facteur de structure Exercice Déterminer les extinctions systématiques d’un cubique mode I et d’un cubique mode F. Système centré : Mode I F ( h k l )  0 Si h+k+l = entier impair F ( h k l )  2 f Si h+k+l = entier pair Système à faces centrées : Mode F F ( h k l )  0 Si h, k et l sont de parités différentes F (hkl)  4 f Si h, k et l sont de même parité 42  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Diffraction des rayons X Détermination de la structure cristalline à partir du diffractogramme. Etape1: Dépouillement du diffractogramme  Relever les valeurs de  1 9 0 0 1 8 0 0 1 7 0 0 1 6 0 0 1 5 0 0 1 4 0 0 1 3 0 0 1 2 0 0 Lin(Counts) 1 1 0 0 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 1 5 2 0 30 4 0 5 0 6 0 0 2-Th e t a - S c a l e A 0 0 0 0 0 - F i l e: C o p i e d e A 0 0 0 1 2 e va.r a w - T y p e : 2 T h / T h l oc k e d - S t ar t : 1 5.0 0 0 ° - E n d : 7 5.0 0 0 ° - S t e p : 0. 0 5 0 ° - S t e p ti m e : 1.5 s - T e m p. : 2 5 ° C ( R o o m ) - T i m e S t ar t e d : 0 s - 2 - T h e t a : 1 5.0 0 0 ° - T h e t a : 7.5 0 0 ° -  Calculer d par la relation de Bragg : d =  / (2. sin) Etape2: Indexation du diffractogramme But : Associer les « d » calculées aux valeurs hkl  Indexation du diffractogramme. Opération simple pour un réseau cubique  En comparant les rapports d1/di des tableaux théoriques avec ceux expérimentaux. Opération complexe pour des symétries basses. 𝒂 Paramètres de maille : Pour un cubique : d = a : paramètre de maille 43 𝒉𝟐+𝒌𝟐+𝒍𝟐  Plan de cours Partie I : Interaction rayonnement matière & Diffraction des rayons X Partie II : Microscopie électronique à balayage Partie III : Microscopie électronique en transmission 44  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Introduction Depuis l’aube de la science, la vision a joué un rôle majeur dans le développement de l’ensemble des sciences expérimentales. L’œil, premier outil de la vision, n’offre malheureusement qu’un champ d’exploration très limité, qu’il s’agisse de l’infiniment petit ou de l’infiniment grand. C’est ainsi que l’expérimentateur a engagé une recherche afin d’élargir ce champ d’exploration. De ce travail sont nés, au début du XVIIième siècle, les premiers instruments optiques appelés microscopes permettant d’atteindre des grossissements jusqu'à 500 fois (x500). Le terme de microscope dérive du grec mikros (petit) et skopein (observer). 45  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Les différentes échelles 46  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Les différentes échelles Macroscopie Microscopie Nanoscopie m mm m nm Å Plus on veut voir petit, plus l'instrument est grand 47  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Les techniques d’observation et leurs différentes échelles 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10m (1m) (1mm) (1m) (1nm) Oeil Microscope optique Microscope électronique en transmission Loupe Binoculaire Microscope électronique à balayage Microscope ionique Microscope à force atomique Œil (pouvoir séparateur 0,1 mm) Microscope à effet tunnel microscopies à Loupe champ proche Binoculaire microscopie optique (AFM, STM) (pouvoir séparateur 0,1 µm) Microscopie électronique à balayage Microscopie électronique 48 (résolution 1nm pour les MEB FEG) en transmission  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Historique 1590 : Hand Janssen et son fils Zacharias Janssen construisent le premier microscope optique. 1924 : Louis de Broglie (1892 - 1987) associe à toute particule une onde de longueur d'onde λ=h/p. Il obtint le prix Nobel de physique en 1929 "pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons". 1926 : Hans Busch montre qu'une bobine circulaire peut focaliser un faisceau d'électrons selon la même loi que celle qui gouverne la focalisation de la lumière par des lentilles optiques en verre. Il crée l'optique électronique. 1931 : Max Knoll et Ernst Ruska (1906-1986), construisent le premier microscope électronique en transmission dont la résolution est de quelques nm. Ernst Ruska obtint le prix Nobel physique 1986. 1938 : Manfred von Ardenne (allemand) installe des bobines de balayage sur un microscope en transmission. C'est le premier microscope à balayage par transmission (MEBT). Il permit l'étude d'échantillons très fins en transmission. La première image obtenue fut celle d'un cristal de ZnO grossi 8000 fois. La résolution était de 50 à 100 nm. L'obtention de l'image fut réalisée en vingt minutes sur un film photographique. 49  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Historique 1939 : Siemens lance le premier microscope électronique en transmission commercial. 1942 : Vladimir Zworykin, J Hillier et RL Snyder : publient les détails du premier MEB. Ce dernier permet l'analyse d’une surface opaque et pas seulement l’analyse d’un échantillon fin en transmission. 1952 : Charles Oatley et Dennis McMullan construisent le MEB1 (SEM1), Résolution = 50 nm. Mais surtout, on obtient une impression de relief de l'image caractéristique des MEB modernes. 1960 : Everhart et Thornley inventent le détecteur d’électrons secondaires et rétrodiffusés toujours utilisé. 1965 : Commercialisation du premier microscope électronique à balayage par Cambridge Instruments. 50  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Types de microscope Types de microscope Microscope à sonde locale Microscope optique Microscope électronique Microscope à force Microscope à Microscope électronique atomique fluorescence à balayage Microscopie à effet tunnel Microscope confocal Microscope électronique Microscope optique en Microscope en transmission… champ proche stéréoscopique … Spectrométrie de masse à ionisation secondaire Sonde atomique Microscope ionique 51 tomographique…  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Types de fonctionnement des microscopes En transmission : ils ne permettent d'observer que des échantillons d'épaisseur suffisamment faible pour être transparents aux photons ou aux électrons. L'image peut être obtenue globalement (en totalité), c’est-à-dire Deux types de fonctionnement par la formation simultanée de tous les points images. C’est la manière de formation de l’image rétinienne, de projection sur un des microscopes écran ou une plaque photographique, de la microscopie optique conventionnelle, etc. En réflexion : Ils opèrent à la surface d'objets massifs , le faisceau est réfléchi à la surface de l'échantillon. L'image peut être obtenue séquentiellement, c’est-à-dire par l’enregistrement point après point des éléments images suivant une trame définie. Cette technique est devenue classique depuis le développement de la télévision. Ces microscopes sont dits à balayage. 52  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I- Généralités Microscopie électronique à balayage Le microscope à balayage est utilisé dans plusieurs domaines. Un MEB va permettre d'observer la topographie de surface d'échantillons massifs en balayant cette surface à l'aide d'une sonde (faisceau électronique) et en analysant les informations obtenues.  Il permet de visualiser les échantillons en 3 dimensions.  Il donne des informations sur les relations entre les différentes structures du tissu.  On peut également obtenir une image de composition du matériel étudié.  Il permet l’observation d'objet macro et microscopiques La résolution et le grossissement plus grands du microscope électronique sont dus au fait que la longueur d'onde d'un électron (longueur d'onde de Broglie) est beaucoup plus petite que celle d'un photon de lumière visible. Le détail minimum obtenu dépend de la taille de la sonde. La taille de cette sonde est conditionnée par les aberrations optiques du microscope. 53  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission I-I-HPisrtionrciqipue de fonctionnement d’un MEB  Premier microscope électronique à balayage commercialisé en 1965.  Microscope électronique à balayage récent. 54  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission II- Principe de fonctionnement d’un MEB Le principe de fonctionnement d'un microscope électronique à balayage est de faire correspondre le déplacement d'un faisceau d'électrons sur un échantillon de façon synchrone avec le déplacement d'un faisceau d'électrons sur un écran cathodique. La brillance du spot est modulée par le signal provenant d'un détecteur spécifique résultant de l'interaction du faisceau primaire avec le matériau. 55  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission III- Description des constituants d’un MEB  Le canon à électron  Les lentilles « condenseur » qui focalisent le faisceau sur un diaphragme  Une lentille « objectif » refocalise ce faisceau sur l'objet en un spot très fin (> 1000 >> 1000 Diamètre de la source 50 m 20 m 15 nm 5 – 10 nm Dispersion en énergie (eV) 1,5 - 2 1-2 0,7 - 1 0,2 - 0,4 Densité de courant d’émission Jo (A.cm-2) 3 30 104 - 105 104 - 106 Brillance de la sonde 105 106 107 - 5 108 > 109 à 20 kV (A.cm-2. Sr-1) Gamme typique 1 pA à 20 nA 1 pA à 2 nA 1 pA à 5 A 1 pA à 5 A de courant de sonde Voire 200 nA Voire 15 nA 59 Stabilité (% par heure) 1 1 2 5  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission III- Description des constituants d’un MEB Canons à électrons Comparaison résolution MEB conventionnel et MEB à effet de champ Film mince de HfO2 sur silicium Tension d'accélération : 20 kV Grandissement MEB : x 100 000 100 nm 100 nm MEB conventionnel à filament de W MEB à effet de champ : cathode chaude Performances et confort d’utilisation d’un MEB à effet de champ… 60  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Échantillon mince Lorsque le faisceau d’électron entre en collision avec le matériau de l’échantillon il va pénétrer à l’intérieur et il y’aura production :  Électrons secondaires  Électrons rétrodiffusés  Rayons X  Électrons Auger  Cathodoluminecence e- diffusés e- transmis e- diffusés  Électrons transmis inélastiquement élastiquement  Électrons diffusés élastiquement  Électrons diffusés inélastiquement 61  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Échantillon épais Lorsque le faisceau d’électron entre en collision avec le matériau de l’échantillon il va pénétrer à l’intérieur et il y’aura production :  Électrons secondaires  Électrons rétrodiffusés  Rayons X  Électrons Auger  Cathodoluminecence 62  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Poire de diffusion des électrons dans l ’échantillon 63  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Poire de diffusion des électrons dans l ’échantillon Sonde Électrons secondaires : Électrons rétrodiffusés : Contraste topographique Contraste chimique Photons X : Analyse chimique Pour une taille de sonde donnée, le volume et la taille de la poire sont en fonction de l’énergie des électrons et du numéro atomique de l’échantillon. Résolution en électrons secondaires < 1nm avec un canon à effet de champ Résolution en électrons rétrodiffusées : 10 à 50 nm 64  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Poire de diffusion des électrons dans l ’échantillon Volume exploré par les électrons Volume exploré par les rayons X Typiquement : d(é.s.) = 1-10 nm d(é.r.) = 10-50 nm 65 d(RX) = de l’ordre du micron  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Influence de l’énergie de l’électron Plus l'électron est énergétique, plus il pénètre profondément dans le matériau. Influence de numéro atomique 66 Plus le matériau est lourd, plus il arrête le parcours de l'électron.  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Electrons secondaires (Secondary electrons) Un électron primaire du faisceau incident entre en collision avec l'échantillon. Quand il électrons secondaires interagit avec les électrons d'un atome, il ressort avec perte d'énergie. Un électron secondaire est émis, l'atome est ionisé. C'est le processus d'interaction ou diffusion inélastique. La détection de ces électrons fournit une information sur la topographie de l’échantillon sur une profondeur de 10 nm. L’analyse de ces électrons permet d’obtenir une image caractéristique de la surface. Ces électrons représentent un bon outil pour l'observation des contours, de la morphologie de l’échantillon. 67  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Electrons rétrodiffusés (backscattered electrons) Les électrons rétrodiffusés résultent de l’interaction des électrons primaires du faisceau primaire avec des noyaux d’atomes de l’échantillon, réagissant de façon quasi élastique. Ces électrons sont ainsi réémis dans une direction proche de leur direction d’origine avec une faible perte d’énergie. Leur énergie cinétique reste élevée jusqu’à 30 keV. Les atomes les plus lourds réémettent plus d’électrons que les atomes légers. Le taux de rétrodiffusés est donc une fonction croissante du numéro atomique Z de l’échantillon. Leur énergie importante leur permet d’échapper à l’attraction du collecteur d’électrons secondaires. La détection d’électrons rétrodiffusés permet d’obtenir une information sur la composition chimique et donc d’observer l’homogénéité chimique de l’échantillon. Plus le numéro atomique de l'atome est élevé, plus le signal est intense et plus la zone de l'image est claire. C'est le contraste de phase. L'image obtenue est donc fonction de la composition chimique de l'échantillon. 68  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Rayons X (photons X) Un électron primaire, du faisceau incident, peut éjecter un électron d'une couche profonde d'un atome de l'échantillon. Cet atome passe dans un état excité et "cherche" à repasser à l'état fondamental d’équilibre par émission soit de : Rayonnements X caractéristiques de l’atome excité RX Électrons Auger Émission de lumière de longueurs d’ondes visibles sur certains matériaux : cathodoluminescence Un électron primaire du faisceau incident entre en collision avec l'échantillon. Un électron d'une couche interne est éjecté. Il est remplacé par un électron d'une couche supérieure. Un photon d'énergie égale à la différence entre les deux niveaux d'énergie électronique est émis. Le vide de la couche supérieure est comblé par un autre électron d'une couche encore supérieure avec émission d'un photon. Une cascade est ainsi créée. Plus le noyau de l'atome est lourd (Z élevé) plus les énergies des photons seront importantes. L'étude des photons X permet une analyse quantitative de la composition chimique de 69 l'échantillon.  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Spectre d’énergie Spectre de distribution d'énergie selon le type d'électron émis. 70  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission IV- Interaction électron-matière Comparaison entre SE et BSE électrons pic secondaires élastique électrons rétrodiffusés énergie E0 5- 10 eV 50 eV Les électrons secondaires (SE) Les électrons rétrodiffusés (BSE) -Interactions inélastiques -Interactions élastiques -Faible énergie (5 eV, 50eV, E0) -Libre parcours moyen faible -Libre parcours moyen plus grand -Faible profondeur d'échappée -Profondeur d'échappée plus grande 71 Contraste topographique Contraste de composition  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission V. Préparation d’échantillons 1 Fixation: Elle se fait classiquement aux aldéhydes. Lavages en PBS (Le tampon phosphate salin est une solution tampon couramment utilisée en biochimie) suivis éventuellement d’un rinçage rapide à l’eau distillée (pour éviter les précipités salins) Déshydratation en bains d’acétone en concentration croissante dans l’eau jusqu’à acétone pure. Les échantillons sont placés dans le vide à l’intérieur de la colonne, ils ne doivent renfermer aucun liquide et doivent donc subir une dessiccation. 2 Dessiccation: Elle consiste à élimer tout liquide contenu dans l'échantillon à étudier. Dans le vide de l'appareil un liquide s'évaporerait immédiatement Souillures Effondrement des structures biologiques 72 Lyophilisation  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission V. Préparation d’échantillons  Échantillon contenant des composés volatils :  Lyophilisation  Nature conductrice de l’échantillon  Conducteur : en général pas de préparation  Non conducteur : problème de charges locales dépôt d’un film conducteur (C, Au)  Dépôt Carbone Analyse  Dépôt d’Or  Photographie  Fragile au bombardement électronique  Diminution de la tension d’accélération  Refroidissement de l’échantillon 73  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission V- Préparation d’échantillons Métallisation Métalliseur L’interaction entre les électrons et la matière conduit à des accumulations de charges à sa surface. Ces charges sont évacuées vers la masse si l’échantillon est conducteur. Si l’échantillon est isolant ou n’est pas assez conducteur, l’accumulation de charges déforme le faisceau d’électrons entraînant une élévation de température à l’endroit de l’irradiation, ce qui peut endommager les objets biologiques. Pour remédier à cet inconvénient on le rend conducteur en le recouvrant d’une fine couche d’or (25 à 30 nm). 74  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Résolution netteté de l’image Contraste 75  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Grossissement Le grossissement obtenu est le rapport des dimensions des surfaces balayées sur l’échantillon et sur l’écran. Rapport de la distance balayée sur l’écran (L fixe) à celle balayée sur l’échantillon (l variable) Grandissement = L / l Longueur d'une ligne 100 mm Zone balayée sur sur le document final Zone balayée l’échantillon (variable) sur l’écran (fixe) Longueur d'une ligne sur l'échantillon 10 mm 1 mm 0,1 mm 0,01 mm 0,001 mm Grandissement x 10 x 100 x 1000 x 10000 x 100000 En microscopie à Balayage classique il va de X400 à X30 000 beaucoup plus pour les MEB équipés de canons à effet de champ (X100000). 76  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Résolution A la distance de lecture, le pouvoir séparateur de l’œil est de 0,1 mm Pour une image nette sur un document final de 100 mm par 100 mm (photo, imprimante, écran…) : - Un point image (pixel pour une image numérique) doit A la distance de lecture, le pouvoir mesurer 0,1 mm maximum (pouvoir séparateur de l’œil) séparateur de l’œil est de 0,1 mm i.e. 100 µm. - Une ligne doit être constituée de 1000 pts au minimum!  C'est la résolution classique 1024 pour une image numérique de 10 cm 77  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Résolution Le balayage du faisceau d'électrons à la surface de l'écran du MEB est synchronisé avec le balayage du faisceau d'électrons du MEB à la surface de l'échantillon. Notion de taille de sonde : Sur l'échantillon, le diamètre du faisceau doit donc être 1/1000ème de la longueur de ligne balayée quelque que soit sa longueur : G x100 1 point = 1 mm/1000 = 1 micron = 1000 nm Imagerie SE et BSE G x1000 1 point = 0,1 mm/1000 = 0,1 micron = 100 nm Imagerie SE et BSE G x10000 1 point = 0,01 mm/1000 = 0,01 micron = 10 nm Imagerie SE (MEB), SE et BSE (MEB à effet de champ) G x100000 1 point = 0.001 mm/1000 = 0.001 micron = 1 nm Imagerie SE (MEB à effet de champ) 78  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Résolution Lorsqu’un point de la surface d’un échantillon est irradié par un faisceau d’électrons, des rayonnements sont émis dans tout un volume situé en dessous de la surface irradiée. Ce volume d’émission définit la résolution accessible en imagerie MEB ; il dépend de plusieurs paramètres : - Taille de la sonde Taille du ‘‘pixel’’ sur l’objet - Énergie des électrons incidents Déterminent la profondeur de - Numéro atomique des éléments sondés pénétration des faisceaux - Type de rayonnement mesuré Faisceau sonde (diamètre, angle Rayonnements émis : d’ouverture, énergie cinétique des - Électrons secondaires, électrons, courant de sonde) - Électrons rétrodiffusés, - Rayons X, Échantillon (numéro atomique, densité, épaisseur) - Lumière. Volume de l’échantillon exploré par les électrons 79  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Résolution  Influence de l’énergie cinétique des électrons incidents : Forte tension d’accélération  meilleure résolution (minimisation des répulsions électrostatiques et de l’aberration chromatique)  Plus l'électron est énergétique, plus il pénètre profondément dans le matériau. Mais il faut aussi tenir compte des interactions avec l’échantillon. Plus la tension d’accélération est élevée, plus les électrons pénètrent profondément dans l’échantillon et moins les rayonnements émis sont caractéristiques de la topographie de la zone d’incidence du faisceau. En travaillant à faible tension d’accélération, on obtient un meilleur contraste pour l’observation des détails de la surface de l’échantillon. 80  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Résolution  Influence du numéro atomique du matériau : Pour les matériaux de numéro atomique élevé, les électrons sont plus fortement rétrodiffusés et explorent donc un volume moindre de l’échantillon. La résolution en MEB est donc meilleure pour un échantillon composé d’éléments lourds que pour un échantillon composé d’éléments légers. Plus le matériau est lourd, plus il arrête le parcours de l'électron 81  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Contraste Types de contraste  Contraste de numéro atomique ou de composition  Contraste de topographie  son origine :  Contraste d’inclinaison : l’émission électronique diminue quand la surface de l’échantillon se rapproche de la normale au faisceau  Contraste d’ombrage : les zones de l’échantillon qui ne « voient » pas le détecteur apparaissent plus sombres.  Contraste d’arête ou de pointe : augmentationde l’émission d’électrons 82  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Contraste Les électrons secondaires et les électrons rétrodiffusés produisent des images ayant des contrastes différents, on distingue plusieurs types de contraste dont les principaux : le contraste d'ombrage, le contraste d'inclinaison et le contraste de numéro atomique. 1 - Images avec les électrons secondaires Le contraste d’ombrage est obtenu à partir des électrons secondaires. En effet, ceux-ci peuvent provenir d’une (ou des) partie(s) "cachée(s)" de l’échantillon car leur trajectoire n’est pas forcément rectiligne. Le contraste d’inclinaison est obtenu à partir de faces plus ou moins inclinées par rapport au faisceau incident d’électrons. Le taux de réémission des électrons secondaires est plus important si la face est inclinée car la diffusion des électrons incidents surviendra dans une zone de l’échantillon moins profonde. Il en découle une image vidéo présentant une partie inclinée de l’échantillon plus blanche que celle horizontale 2 - Images avec les électrons rétrodiffusés Le contraste de numéro atomique est obtenu avec les électrons rétrodiffusés car le taux de réémission est proportionnel au numéro atomique. Par conséquent, deux éléments de valeur Z très éloignés fourniront une image très contrastée. La partie blanche de l’image correspondra à l’élément le plus lourd (Z grand) et la partie sombre à l’élément le plus léger (Z petit). 83  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons secondaires La détection des électrons secondaires est le mode classique d’observation de la morphologie de la surface. Les électrons secondaires captés proviennent d’un volume étroit (environ 10 nm). De fait, la zone de réémission fait à peu près le même diamètre que le faisceau. La résolution du microscope est donc le diamètre du faisceau, soit environ 10 nm. La quantité d’électrons secondaires produite ne dépend pas de la nature chimique de l’échantillon, mais de l’angle d’incidence du faisceau primaire avec la surface : plus l’incidence est rasante, plus le volume excité est grand, donc plus la production d’électrons secondaires est importante, d’où un effet de contraste topographique (une pente apparaît plus « lumineuse » qu’un plat). Cet effet est renforcé par le fait que le détecteur est situé sur le côté ; les électrons provenant des faces situées « dos » au détecteur sont réfléchis par la surface et arrivent donc en plus petite quantité au détecteur, créant un effet d’ombre 84  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons secondaires L'émission des électrons secondaires dépend de l'angle entre le faisceau incident et la normale de la surface. Une surface inclinée émet plus d'électrons secondaires qu'une surface perpendiculaire au faisceau Les arrêtes apparaissent plus brillantes, parce qu’elles émettent plus d'électrons secondaires. Ce phénomène peut être réduit pour les faibles tensions 85  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons secondaires contrastes d’arêtes et de pointes 86  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons secondaires Pourquoi vouloir travailler à basse tension ? Limiter le volume des 5 kV Simulation du volume interactions électrons- d'interaction dans Al à 20 kV et matière ! 5kV 1 µm 20 kV Faciès de rupture alliage d’aluminium 15 kV 1 kV Images MEB FEG en SE ► Une information plus proche de la surface de 87 Grandissement MEB : x 20 000 (réf. Polaroïd) l’échantillon (plus de topographie de surface)  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons secondaires Cristaux d'Argent – 20kV – 15mm – x1000 Zéolithe (silicoaluminate) – 5kV – 25mm – x6000 Cube de Ni – 20 kV – 25mm 88 ► Les électrons secondaires donnent majoritairement un contraste topographique  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons secondaires Grains de pollen de quelques plantes La tête d'une fourmi grossis 37 fois communes grossis 500 fois 89  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons secondaires Cheveu 750 fois Tubes rénaux 800 fois Moelle osseuse 2300 fois Lymphocytes 3300 fois 90  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons rétrodiffusés Les électrons rétrodiffusés proviennent d’un volume plus important ; le volume d’émission fait donc plusieurs fois la taille du faisceau. La résolution spatiale du microscope en électrons rétrodiffusés est d’environ 100 nm. Les électrons rétrodiffusés traversent une épaisseur importante de matière avant de ressortir. La quantité d’électrons capturés par les atomes rencontrés et donc la quantité d’électrons rétrodiffusés qui ressortent dépend de la nature chimique des couches traversées. Le taux d’émission électronique augmente avec le numéro atomique. On obtient donc un contraste chimique, les zones contenant des atomes légers (Z faible) apparaissant en plus sombre. 91  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons rétrodiffusés Lumière = électrons Image formée sur le détecteur Après balayage de la zone Electrons rétrodiffusés Fer Carbon Echantillon Plus le numéro atomique de l'atome est élevé, plus le signal est intense et plus la zone de l'image est claire. 92  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons rétrodiffusés Phase « lourde » Phase «légère » Echantillon multiphasé métallique 93  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Image en électrons rétrodiffusés Pourquoi vouloir travailler à basse tension en BSE ? Volume de la poire à haute tension Volume de la poire à basse tension ► La résolution spatiale des images BSE s’améliore en baissant la tension Faciès de rupture alliage Al Images MEB FEG Image BSE – 15kV Grandissement MEB : Image BSE – 3kV x 75 000 94  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Tension d’accélération et courant de sonde Plus de Plus de dommages dommages Basse Mauvais résolution Image lisse Haute résolution contraste de surface Élevé Élevée Courant Tension de sonde d’accélération Faible Faible Haute Image Basse Meilleur granuleuse résolution résolution contraste de surface Moins de Moins de dommages dommages 95  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VI- Formation des images Échantillon Image de composition : Topographie de surface : Électrons rétrodiffusés Électrons secondaires Echantillon Echantillon non Echantillon hydraté conducteur conducteur Echantillon sec Dessiccation Métallisation 96 Observation MEB  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VII- Analyse chimique Principe de l’émission X Ionisation Désexcitation radiative MV MIV MIII e– MII MI (E0) photon LIII LII LI K 97  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VII- Analyse chimique L’émission de rayons X permet de remonter à la composition élémentaire de l’échantillon étudié (voir interaction électrons-matière et détecteurs). Une analyse rapide permet d’identifier qualitativement les éléments contenus dans l’échantillon (analyse qualitative). Il est possible également grâce à des programmes informatiques d’extraire du spectre obtenu le pourcentage en poids de chaque élément, voire le pourcentage en poids de différents composés (analyse quantitative). 98  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique Microscopie électronique en & Diffraction des rayons X à balayage transmission VII- Analyse chimique Nombre de photons Spectre mesuré par le détecteur émis Chaque élément chimique émet des photons X à une énergie caractéristique  On peut analyser la composition chimique de l’échantillon → la hauteur du pic est reliée à la concentration de l’élément 99 → On peut faire la cartographie d’un élement chimique donné  Plan de cours Partie I : Interaction rayonnement matière & Diffraction des rayons X Partie II : Microscopie électronique à balayage Partie III : Microscopie électronique en transmission 100  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission I- Généralités La Microscopie Électronique en Transmission (MET) permet une analyse morphologique, structurale et chimique d’échantillons solides à l’échelle atomique. Cette technique repose sur l’interaction des électrons avec la matière et la détection des électrons ayant traversé l’échantillon. Les échantillons étudiés doivent donc être préalablement amincis afin d’être transparents aux électrons 101  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission I- Généralités Premier MET 1933 Microscope électronique 102 en transmission récent  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission I- Généralités Canon à e- Détecteur RX Porte-objet 3 mm 1 m Colonne Écran Caméra CCD / Spectromètre EELS écran 103  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission II- Description des constituants d’un MET Canon 200 kV Système condenseur Porte-échantillon Lentille objectif Système projecteur Chambre d’ observation Chambre à négatifs 104  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission II- Description des constituants d’un MET Les composants du microscope 1. Le canon à électrons (source des électrons) 2. Les lentilles condenseurs : Elles changent la densité du courant d'électrons et l'ouverture du faisceau et permettent de condenser le faisceau sur quelques nm jusqu'à 0,1 mm de la surface de l'objet. Plus la tache électronique est réduite, plus l'analyse est précise et le grandissement du microscope élevé. 3. l'objet a une épaisseur très mince : ~ 100, 200 nm 105  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission II- Description des constituants d’un MET Les composants du microscope 4. Lentille objectif, la plus proche de l'échantillon a une distance focale de l'ordre du mm. La résolution en dépend. Dans le plan focal de la lentille objectif, se forme la figure de diffraction. L'image observée de l'objet est celle obtenue : Soit dans le plan focal de la lentille objectif, dans le mode diffraction. Soit dans le plan image de la lentille objectif, dans le mode image. 5. Lentille intermédiaire permet de sélectionner l'image ou le diagramme de diffraction par changement de focal. 6. Les lentilles projecteurs, donnent une image plus grande de l'image ou du diagramme de diffraction 7. L'écran d'observation est un écran fluorescent qui émet de la lumière jaune/verte sous 106 l'impact des électrons ou un film photographique ou une caméra.  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission II- Description des constituants d’un MET Les composants du microscope Condenseurs (Il est composé de plusieurs lentilles électromagnétiques) : détermine la taille du faisceau sur l’échantillon et sa convergence Lentille objectif : forme la première mage de l’objet (qualité très importante) forme une image initiale inversée inversée Échantillon introduit dans son entrefer (PB de place pour incliner) Lentille intermédiaire : Passage du mode image au mode diffraction Lentilles Projecteurs : agrandissent les images 107  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission II- Description des constituants d’un MET Porte échantillon Le porte échantillon permet de faire tourner l'échantillon à l'intérieur du microscope. Il y a deux types de porte échantillon :  Simple tilt : un seul axe de rotation, c’est celui du porte échantillon  Double tilt : deux axes, l'axe du porte échantillon et un autre lui est perpendiculaire cx Porte échantillon (partie de l'échantillon) Placement de l'échantillon Mise en place du porte 108 sur le porte échantillon échantillon dans le microscope  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission III- Principe de fonctionnement d’un MET génération source canon accélération objet lame mince système de focalisation- projection Plan focal détecteur Plan image Max Mag = 1000 X Max Mag = 1 000 000 X 109  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission IV- Mode Image et mode Diffraction Possibilité d’obtenir des informations dans l’espace réel (mode image) et dans l’espace réciproque (mode diffraction) simplement par changement du courant dans la lentille intermédiaire 110  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission IV- Mode Image et mode Diffraction Au lieu de s'intéresser à l'image formée, on peut s'intéresser à la diffraction des électrons. En se plaçant dans le plan focal du faisceau et non plus dans le plan image (simplement en changeant la tension dans les lentilles électro- magnétiques), on obtient la figure de diffraction, semblable aux clichés de Laue obtenus en diffraction de rayons X. On peut ainsi visualiser les directions dans lesquelles vont les électrons et ainsi caractériser les cristaux (organisation des atomes, orientation...). 111  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission IV- Mode Image et mode Diffraction A B POOBJ POOBJ Lentille objectif PFOBJ POPROJ PFOBJ B’ A’ PO PROJ PIOBJ PO PROJ PIOBJ Lentille projecteur PFPROJ PIPROJ A’’ B’’ PIPROJ 112  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission V- Interaction électron-matière faisceau incident e– primaires rétrodiffusés e– Auger rayons X e– secondaires lumière (cathodoluminescence) e– absorbés e– diffusés e– diffusés élastiquement inélastiquement e– transmis 113  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission V- Interaction électron-matière Diffusion élastique - Diffusion inélastique Si l’échantillon est suffisamment mince (< 100 nm), des électrons peuvent le traverser :  Sans être déviés, sans perdre d’énergie : faisceau incident e– transmis  En étant déviés, sans perdre d’énergie : e– diffractés Diffusion élastique Diffraction électronique e– diffusés e– diffusés élastiquement  En étant déviés et en perdant de l’énergie : inélastiquement Diffusion inélastique e– transmis Spectroscopie de perte d’énergie (EELS) 114  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission VI- Préparation d’échantillons 115  Interaction rayonnement matière Microscopie électronique à Microscopie électronique & Diffraction des rayons X balayage en transmission VI. Préparation d’échantillons Transparent aux électrons de haute énergie 100 - 200 keV Epaisseur < 100 nm impératif !!!  20 nm :