Chapitre II : Du microscope photonique au microscope électronique

II.1 Le fonctionnement et les limites du microscope photonique

Le microscope photonique (ou optique) est le descendant des premiers microscopes inventés en Hollande au XVIIème siècle et qui, sans cesse développés au cours des siècles, ont contribué si puissamment à notre connaissance du monde microscopique, dans tous les domaines des sciences expérimentales de la physique à la chimie, de la pétrologie à la biologie. Il utilise les radiations électromagnétiques du spectre visible (la lumière) ou dans le proche infrarouge ou ultraviolet, dont la propagation est déviée, focalisée par des lentilles de verre. La lumière est une ondulation constituée par des vibrations de champs électrique et magnétique se propageant aussi bien dans le vide que dans l'air ou dans des matériaux transparents. Ces vibrations sont périodiques, c'est-à-dire qu'elles se retrouvent identiques à elles-mêmes en un point de l'espace à des intervalles de temps réguliers (la période T  exprimée en secondes) ou avec une fréquence n = 1/T (exprimée en Hertz). Elles se propagent dans le vide à la vitesse c (égale à la vitesse de la lumière) et la distance, à un instant donné, entre deux états équivalents de l'oscillation est la longueur d'onde l (exprimée en unités de longueur). Chaque couleur du spectre visible correspond à une longueur d'onde déterminée comprise entre 0,4 et 0,7 mm environ. La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations de longueur d'onde comprises dans cette bande. L'ultraviolet correspond aux radiations de longueur d'onde inférieure et l'infrarouge à celles  de longueur d'onde supérieure.

Un microscope traditionnel est constitué des principaux éléments suivants:

  • une source de rayonnement lumineux et un dispositif d'éclairage de l'objet;
  • une optique constituée de plusieurs lentilles assurant la fonction d'agrandissement;
  • un détecteur permettant l'observation ou l'enregistrement de l'image (oeil, émulsion photographique, caméra et moniteur TV).

L'échantillon peut être observé en transmission s'il est partiellement transparent à la lumière ou en réflexion si il possède un fort pouvoir réfléchissant comme une surface métallique ou minérale. La figure II.1 présente un schéma de principe pour un microscope moderne permettant une variété d'éclairements et de modes d'observation. On y repère plusieurs familles de lentilles: les condenseurs, l'objectif, l'oculaire, les projecteurs. L'instrument original, à l'architecture simplifiée, était constitué d'un objectif qui donne de l'objet une image agrandie et d'un oculaire, jouant le rôle d'une loupe et au travers duquel on observe à l'infini une image virtuelle agrandie. L'objectif est en fait le coeur du microscope et de ses propriétés dépendent essentiellement les performances de l'instrument.

Figure II.1

Dans un schéma simplifié (voir la fig. II.2), pour un microscope plein champ où l'ensemble de la préparation est éclairé, on assimile l'objectif et l'oculaire à des lentilles minces simples. L'objet est représenté par un segment A0B0 dont l'objectif de distance focale f (de quelques mm) donne une image agrandie A1B1. De cette image située dans son plan focal objet (distance focale f' de quelques cm), l'oculaire donne une image A'B' rejetée à l'infini et observée par l'œil. La mise au point s'effectue en modifiant la distance frontale entre l'objet et la face d'entrée de l'objectif.

En microscopie visuelle, on appelle grossissement le rapport entre l'angle q' sous lequel on voit dans l'instrument l'image A'B' et l'angle q sous lequel l'œil le verrait à la distance d'approche maximum soit 25 cm:

$G=\frac{\tan \theta '}{\tan \theta}\simeq 500$

Pour obtenir une microphotographie, on introduit après l'oculaire un objectif photographique qui forme sur l'émulsion placée dans son plan focal une image réelle A''B''. Dans ce cas on caractérise le fonctionnement du microscope par son grandissement linéaire total:

$$ g=\frac{A''B''}{A_0B_0}$$

Figure II.2 La formation de l'image dans un microscope optique.

Même si on augmente le grossissement au-delà de 1000, la qualité de l'observation ne s'améliore pas car on atteint alors la limite de résolution de l'instrument. Cette notion mérite une discussion plus approfondie. Le premier obstacle est associé à la nature ondulatoire du rayonnement: il s'agit du phénomène de diffraction. L'image d'un point, donnée par une lentille parfaite et un rayonnement monochromatique de longueur d'onde l, est une tache circulaire brillante entourée d'anneaux moins lumineux dont l'intensité décroît lorsqu'on s'écarte du centre; il s'agit de la tache d'Airy dont on sait que le diamètre d est égal à 1.22 l/a' (voir fig. II.3).

Figure II.3 - Diffraction par une ouverture et définition du pouvoir de résolution

Ramenée au plan objet, cette dimension s'exprime grâce à la même formule avec l'angle a égal au demi-angle sous lequel l'objet est vu par l'objectif. A partir de la formule ci-dessus, on constate que cette tache sera d'autant plus étroite, et l'image par conséquent d'autant plus piquée, que l'angle a augmente et que la longueur d'onde l décroît. Pour une lentille objectif de faible distance focale travaillant avec un grandissement de l'ordre de 100, l'angle a n'est plus très petit et on le remplace dans la formule ci-dessus par l'ouverture numérique $O_n=n\sin \alpha$ où n est l'indice de réfraction du milieu dans lequel on peut immerger l'échantillon devant la face d'entrée de l'objectif. Les plus grandes ouvertures numériques sont de l'ordre de 1,3. Pour une longueur d'onde de 0,6 mm correspondant à de la lumière jaune, on obtient donc une valeur de d = 0,56 mm.

Le pouvoir de résolution (ou pouvoir séparateur) mesure la distance transversale minimale s entre deux points dont les taches de diffraction peuvent être séparées. Suivant le critère de lord Rayleigh, on définit cette distance pour le cas où le maximum d'une tache de diffraction se situe au premier zéro de la tache voisine. Il en résulte que:

$$s=\frac{0.61\lambda}{O_n}$$

soit 0,28 µm pour l'exemple ci-dessus.

Il existe une autre façon de mesurer la qualité de l'observation fournie par un système optique que l'on comprend aisément en se référant aux mires de réglage de nos écrans de télévision. Supposant que notre objet soit constitué d'un réseau de lignes blanches et noires de périodicité p. Comme le montre la fig. II.4, l'image qu'en donne l'objectif est un contraste oscillant g = (I2 - I1)/(I1 + I2) où I2 est l'intensité des maximums et I1 celle des minimums. La fréquence spatiale n'a pas changé mais les traits noirs sont devenus gris et cet effet est d'autant plus marqué que la distance p est plus faible, c'est-à-dire quand la taille de la tache de diffraction devient de l'ordre de grandeur de la période p. On représente cette variation sous forme d'une fonction de transfert de contraste entre la valeur du contraste g et la fréquence spatiale 1/p. Pour une certaine fréquence de coupure 1/p0, le contraste dans l'image est devenu zéro et I1 = I2. La connaissance de la fonction de transfert, et de la fréquence de coupure en particulier, apporte toutes les informations nécessaires sur la loi de correspondance entre l'objet et l'image.

Figure II.4 Une autre approche à la définition du pouvoir de résolution : la fonction de transfert.

Dans la discussion qui précède, nous avons supposé que la lentille objectif est une lentille parfaite. Or on sait que les lentilles de verre ne sont pas exemptes de défauts. Elles souffrent en particulier de chromatisme, c'est-à-dire qu'elles focalisent mieux les radiations de plus courte longueur d'onde, ce qui entraîne des effets d'irisation lors de l'utilisation de la lumière blanche. De plus, même pour une lumière monochromatique, la focalisation n'est pas parfaite. Par exemple, les rayons marginaux convergent davantage que les rayons passant près de l'axe de la lentille, ce qui est responsable d'effets connus sous le nom d'aberration sphérique (ou d'ouverture) et de coma. Les lentilles de l'optique photonique présentent cependant une grande qualité, à savoir qu'elles peuvent être soit convergentes, soit divergentes selon la nature de la courbure de leurs faces. En associant plusieurs lentilles de propriétés différentes en doublets, triplets et multiplets, il est possible de réaliser des objectifs stigmatiques, pour lesquels le chromatisme, l'aberration sphérique et la coma sont corrigés.

Suivant la direction de propagation du rayonnement en transmission, il est aussi important de définir une résolution verticale, ou profondeur de champ. C'est la distance dz, sur l'axe optique, pour laquelle la netteté des détails perçus reste acceptable. Cette épaisseur est d'autant plus faible que l'ouverture numérique On est plus grande. Dans les meilleurs cas elle est aussi de l'ordre d'une fraction de micromètre et de cette façon on peut dire que le microscope réalise une coupe optique dans l'objet, bien qu'un rayonnement lumineux défocalisé provenant des coupes adjacentes soit aussi transmis à l'observateur.

Afin d'améliorer le pouvoir de discrimination optique à travers l'épaisseur d'un échantillon transparent, le microscope confocal à balayage laser est apparu récemment sur le marché. Dans cet instrument, la source et le détecteur sont focalisés simultanément en un même point de l'échantillon par un jeu adapté de trous d'épingle (diaphragmes), de miroirs et d'objectifs communs. L'échantillon est éclairé et interrogé point par point, de façon successive grâce à un mécanisme de balayage optique du faisceau. Ce principe permet d'éliminer totalement la lumière qui ne provient pas du plan de mise au point optique. Par conséquent, on a ainsi accès à un contraste amélioré, une très faible profondeur de champ (de l'ordre de 0,5 mm) tout en conservant une résolution latérale de 0,2 à 0,3 mm par utilisation d'objectifs à immersion de forte ouverture numérique. Ce microscope confocal, permettant de réaliser des observations tridimensionnelles avec une résolution submicronique dans les trois directions, représente le développement le plus important de la microscopie photonique au cours des dix dernières années, en particulier dans le domaine tissulaire et cellulaire lorsqu'il est utilisé avec des marqueurs fluorescents spécifiques.

Dans cet exposé rapide des acquis de la microscopie photonique, nous avons volontairement omis les développements les plus récents en microscopie de champ proche, sans propagation, où la distance objet-détecteur est faible par rapport à la longueur d'onde du rayonnement. Il s'agit d'une des retombées les plus spectaculaires des techniques de microscopies tunnels déjà mentionnées brièvement en I.2.

II.2 L'électron comme source de rayonnement primaire

C'est à partir de la définition et de l'évaluation du pouvoir de résolution du microscope photonique, bien adapté à l'exploration du monde micronique, que se justifie le recours à des faisceaux d'électrons pour espérer franchir plusieurs ordres de grandeur et avoir accès directement aux distances interatomiques. Le seul paramètre sur lequel il est possible de gagner le facteur  de l'ordre de 1000 requis, est la longueur d'onde de la radiation utilisée. Dans le tableau I.1 nous avons montré que deux solutions étaient envisageables, à savoir le recours à des radiations électromagnétiques dans le domaine X ou à des particules chargées et en particulier à des électrons.

Dans le premier cas, les progrès ont été très lents dans la mesure où ne savait pas réaliser des éléments optiques focalisants (tous les matériaux ont un indice de réfraction quasiment égal à l'unité dans cette gamme de longueurs d'onde). La seule solution consistait à envisager des microscopies par projection où on observe l'ombre portée de l'échantillon sur le détecteur. La résolution est alors limitée soit par la taille de la source, soit par celle du détecteur (grain de l'émulsion) suivant la configuration, source-échantillon-détecteur, choisie. Mais dans tous les cas cette résolution n'est pas sensiblement différente de celle offerte par la microscopie photonique dans le domaine visible. Ajoutons cependant que l'introduction d'optiques à base de réseaux faits d'empilements de matériaux lourds et légers, a permis récemment  de réaliser des expériences prometteuses de focalisation de rayons X avec une résolution de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. C'est un progrès très sensible dans la voie d'une microscopie X dont il faudra suivre l'évolution avec intérêt.

Revenons à la relation de Louis de Broglie qui attribue une longueur d'onde l à un électron de masse m et de vitesse v, soit l = h/mv. Ceci n'est qu'une loi approchée non relativiste. La loi exacte tenant compte de l'énergie au repos de l'électron, $E_0=mc^2=511 $  keV,  est:

$$ \lambda(pm)=\frac{1226}{[eV(1+0,9785 \cdot 10^{-6}eV)]^{1/2}} $$ (II.2)

à partir de laquelle on peut calculer les paramètres associés à des électrons accélérés dans le vide sous une tension V (Tableau II.1)

Tableau II.1

V (kV)

b = v/c

m/m0

l (pm)

100

0,548

1,196

3,70

300

0,776

1,587

1,97

1000

0,941

2,957

0,87

Il résulte de la lecture de ce tableau que les électrons accélérés sous les tensions usuelles de fonctionnement d'un microscope électronique se propagent à une vitesse supérieure à la moitié de la vitesse de la lumière, qu'ils sont donc relativistes avec une masse variant de 1,2 à 3 fois la masse de l'électron au repos, que leur longueur d'onde est nettement inférieure aux distances moyennes interatomiques et qu'ils constituent donc un rayonnement adapté à l'exploration de la matière aux échelles subnanométriques.

Construire un instrument d'optique électronique de conception semblable au microscope optique est en outre envisageable car on sait que ces particules chargées sont susceptibles de subir l'action des forces imposées par des champs électromagnétiques et de voir ainsi leurs trajectoires modifiées et contrôlées. Il est ainsi possible de réaliser des combinaisons de champs exerçant sur ces particules une action identique au rôle des lentilles de verre pour les rayons lumineux, ce sont les lentilles électroniques que nous décrirons dans le chapitre suivant. Par contre, utiliser un faisceau d'électrons impose un certain nombre de contraintes, la plus importante étant qu'à cause de leur pouvoir d'interaction avec la matière, ils ne se propagent librement que dans le vide. Une colonne de microscope électronique est donc essentiellement une enceinte pompée sous des vides de l'ordre ou inférieur à un milliardième de la pression atmosphérique. (Cette affirmation sera commentée à nouveau au paragraphe IV.4).

II.3 Une brève histoire de la microscopie électronique

Le microscope électronique, utilisant un faisceau d'électrons accélérés sous une différence de potentiel donnée pour produire une image agrandie de la matière, n'a pas été conçu et construit d'un seul coup. Les appareils en fonctionnement de nos jours sont le résultat d'une évolution graduelle qui a été initiée au début de ce siècle. A l'origine on peut situer la découverte de l'électron et de ses propriétés. Citons surtout J.J. Thomson qui en 1897 détermine le rapport e/m entre la charge et la masse de ces charges élémentaires d'électricité négative et Millikan qui en 1909 mesure leur charge individuelle égale à 1,6. 10-19 C. Leur masse est donc de 9,1.10-31 kg. A la même époque, les expériences réalisées par un certain nombre de physiciens (Birkeland, Poincaré) sur les faisceaux d'électrons, aussi connus alors sous le nom de rayons cathodiques, montrent qu'il est possible de les faire converger vers des points privilégiés de l'espace, au moyen de champs magnétiques de révolution en particulier. Les éléments nécessaires à la réalisation de lentilles électroniques étaient rassemblés, mais il fallut attendre près de trois décennies pour que les étapes menant à la rmise au point du premier microscope électronique soient franchies.

Les travaux théoriques de Louis de Broglie établissant l'aspect ondulatoire des électrons, constituèrent un élément décisif à l'origine des premières réalisations expérimentales. En parallèle Hans Busch, un physicien allemand, établit les bases de l'optique électronique. En calculant les trajectoires des électrons dans un champ magnétique à symétrie de révolution, il montre qu'ils s'y comportent de façon similaire aux rayons lumineux dans les systèmes optiques à symétrie de révolution, permettant ainsi de concevoir des lentilles électroniques équivalentes aux lentilles de l'optique photonique. Les principaux éléments devant conduire à la naissance du microscope électronique sont en place. Ceci n'échappe guère à l'attention de deux physiciens, qui deviendront célèbres plus tard, bavardant en 1928 dans un recoin du café Wien à Berlin:

Szilard: "Busch has shown that one can make electron lenses, de Broglie has shown that they have sub-Angström wave lengths. Why don't you make an electron microscope, one could see atoms with it!"

Gabor: "Yes, I know. But one cannot put living matter into a vacuum and everything will burn anyway to a cinder under an electron beam."[1]

    L'histoire montrera comment ils avaient en quelques mots compris les perspectives immenses qui s'ouvraient à eux tout en en identifiant les limites.

    Malgré tout, deux physiciens berlinois décidaient de se lancer dans l'aventure: le 4 juin 1931, Max Knoll rapporte lors d'une conférence à l'Ecole Technique de Berlin les expériences réalisées avec son étudiant Ernst Ruska, présentant à cette occasion les premières images obtenues avec un microscope à deux lentilles fonctionnant sous une tension de quelques milliers de volts. Déjà une résolution de quelques dizaines de nanomètres était atteinte, les limites fondamentales de la microscopie photonique étaient franchies et c'était le début d'une grande aventure, pour laquelle l'un des inventeurs, Ernst Ruska, dut attendre plus de cinquante années avant de se voir décerner le prix Nobel de physique en 1986. La figure II.5 montre un schéma du premier microscope électronique réalisé en 1931. Berlin était alors le théâtre d'une grande effervescence dans ce domaine. La société AEG-Telefunken y avait créé un centre de recherches très actif au sein duquel Ernst Brüche aidé de son collaborateur H. Johannson, obtenait lui aussi, quelques mois plus tard en août 1931, ses premières images de microscopie électronique, après avoir dès 1930, introduit la notion d'indice de réfraction fictif, complétant ainsi l'analogie entre l'optique électronique et l'optique géométrique.

    Le mouvement, initié en Allemagne, ne va pas tarder à rayonner à travers l'Europe et à franchir l'Atlantique. Au cours de la décennie qui précède la guerre, des microscopes électroniques sont aussi construits en Hollande, en Belgique, en Angleterre et à Toronto. Et en 1939 des images prouvent qu'une résolution ponctuelle de 10 nm est atteinte.

    Figure II.5 Schéma du premier microscope électronique de Ruska
    (document Akademia Leopoldina)

    Mais il faut revenir à Berlin où à cette époque, il se passe beaucoup de choses. C'est ainsi que dans les laboratoires de la société Siemens et Halske, Bodo von Borries et Ernst Ruska construisent le premier "ultramicroscope" commercial. Les techniques de préparation d'échantillons minces se développent aussi peu à peu et des images de bactéries, de virus, de particules de carbone, de diatomées, encore un peu floues certes, sont réalisées. Les sombres prédictions de Gabor n'étaient pas vérifiées. Tout au long de la guerre, les progrès n'allaient cesser de part et d'autre de l'Atlantique. Différentes compagnies se lançaient dans l'aventure (Philips, R.C.A., Metropolitan Vickers) mais bien des résultats acquis à cette époque n'ont jamais été divulgués pour de bien compréhensibles secrets d'états.

    En France, si quelques essais de réalisaion d'un microscope électronique sont dus à J.J. Trillat et R. Fritz en 1933, le premier instrument qui fonctionna réellement, un microscope à lentilles électrostatiques et non pas magnétiques comme celles utilisées en Allemagne, fut construit par Pierre Grivet pendant l'occupation. Au Japon et en U.R.S.S. les travaux ne démarreront réellement qu'après la guerre.

    Revenons une dernière fois à Berlin dans les laboratoires Siemens en 1936. Le microscope électronique, décrit ci-dessus, n'est pas la seule voie explorée. On y rencontre  Erwin Müller qui met au point le microscope à émission de champ: l'échantillon est préparé sous forme d'une pointe fine, un champ électrique intense est appliqué à son extrémité en la portant à un potentiel de quelques milliers de volts, on l'immerge dans une enceinte où le vide est poussé à ses limites et on recueille sur un écran phosphorescent situé en face une image représentative de la surface de la pointe, de ses symétries cristallines en particulier, avec une résolution de l'ordre de 10 nm aussi. Mais ceci est une autre histoire dont nous reparlerons ailleurs.

    Ce qui nous concerne plus directement dans le présent volume, c'est le travail poursuivi dans une autre pièce par Max Knoll et Manfred von Ardenne. Ils y conçoivent et réalisent le prototype du microscope électronique à balayage. L'image y est construite point par point par déplacement d'une fine sonde d'électrons sur la surface de l'échantillon et par visualisation sur un tube cathodique d'un spot dont l'intensité est modulée par la grandeur d'un signal résultant de l'interaction entre la sonde et l'échantillon. Si il y eut bien pendant la guerre des travaux poursuivis dans la même direction aux laboratoires de R.C.A. aux U.S.A., il fallut attendre les travaux de Oatley à Cambridge en 1953 pour que le microscope à balayage naisse réellement et devienne l'instrument commercial que nous connaissons aujourd'hui.

    Cette courte histoire de la microscopie électronique était essentiellement consacrée à ses balbutiements. Les progrès se sont poursuivis régulièrement après la guerre. Plusieurs compagnies se sont solidement implantées sur le marché et ont vendu en quatre décennies plusieurs dizaines de milliers d'appareils dans le monde,  dont plus des deux-tiers sont des microscopes à balayage. En 1995, le marché est tenu surtout par des firmes européennes (Philips, Zeiss, Leica) et japonaises (JEOL, Hitachi) pour ne citer que les principales. Mais il me semble indispensable avant de clore cet historique de citer deux noms importants de la microscopie électronique de l'après-guerre. En France, Gaston Dupouy s'est fait l'apôtre de la microscopie à très haute tension pour l'examen d'échantillons plus épais. Il entreprend d'abord la construction d'un microscope pouvant fonctionner sous une tension d'un million de volts. En décembre 1960, il présente, en collaboration avec Frantz Perrier, les premières images acquises avec l'instrument installé dans la "boule" sur le campus du CNRS à Toulouse. Dans une seconde étape, il construira, dix ans plus tard, un microscope plus puissant encore, travaillant sous des tensions de 3 millions de volts, suivi dans cette voie par les japonais. Mais cette course aux hautes tensions est devenue très onéreuse, les instruments ont pris une dimension sans commune mesure avec les moyens normaux des laboratoires, les performances escomptées en termes de résolution n'ont pas suivi les espérances, quelques champs d'application bien spécifiques seulement continuent à être utilisés et vers la fin des années 1980, seules quelques machines de ce type restent opérationnelles dans le monde. Par contre au cours des dernières années, un renouveau de la microscopie à très haute tension a vu le jour. Les problèmes techniques qui n'avaient pas permis d'utiliser réellement la très courte longueur d'onde des instruments de la génération des années 1960-1970 pour améliorer la résolution, ont enfin été résolus. Cinq à six microscopes (de fabrication japonaise) fonctionnant sous 1 MV et destinés à des études de structures à très haute résolution (de l'ordre de 0.1 nm) ont été récemment implantés au Japon, le seul exemplaire non japonais étant acquis par le Max Planck Institut de Stuttgart.

    Dans le domaine de la microscopie à balayage, c'est leur grande commodité d'utilisation, leur souplesse pour visualiser des champs d'extension très variable, l'étendue de leur profondeur de champ qui en font un outil indispensable pour visualiser la surface d'échantillons massifs très divers et en ont rapidement assuré le succès commercial en l'imposant comme un outil incontournable dans un grand nombre de laboratoires industriels en particulier. Mais en 1970, Albert Crewe, à l'Université de Chicago, réalise un microscope à balayage en transmission, combinant les techniques d'imagerie par trame de la microscopie à balayage et l'utilisation de signaux acquis après transmission des électrons à travers un échantillon préparé sous forme de lame mince. L'originalité de ce STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) réside dans sa source d'électrons à effet de champ qui permet de focaliser le faisceau primaire d'électrons en une sonde de diamètre inférieur à 0.5 nm qui lui permet de visualiser pour la première fois des atomes isolés (lourds de préférence!) déposés sur un film très mince de carbone amorphe. Ce fut le point de départ d'une microscopie analytique à très haute résolution, à laquelle nous consacrerons un chapitre spécial (chapitre VI), dont le développement a été largement assuré par le relais commercial assuré par la firme britannique d'instrumentation scientifique Vacuum Generators, seule sur le marché depuis 1975 à proposer de tels microscopes STEM.



    [1]Szilard : "Busch a montré comment réaliser des lentilles pour les électrons, de Broglie a montré qu'ils possédaient des longueurs d'onde inférieures à l'angströms. Pourquoi ne construisez-vous pas un microscope électronique, on pourrait voir les atomes avec !!"

    Gabor : "Oui, j'en suis conscient. Mais on ne peut pas s'introduire dans la matière vivante dans le vide et tout se transformerait immédiatement en cendres sous le faisceau d'électron".

    II.4 Classification des grandes familles de microscopes électroniques

    On peut classer les microscopes électroniques en plusieurs catégories suivant les critères choisis. Le premier concerne la géomètrie de l'échantillon. S'il s'agit d'un échantillon massif, on s'intéresse à des signaux issus de sa surface dans une géométrie en réflexion. L'autre solution consiste à étudier des échantillons préparés sous forme de lames minces et il s'agit alors d'une microscopie en transmission (voir tableau II.2).

    Nature de l'échantillon

    Type de microscope

    Origine de l'information

    Massif

    Réflexion

    Surface ou faible profondeur

    Lame mince

    Transmission

    Intégée sur l'épaisseur

    Tableau II.2

    La seconde classification est de type instrumental (voir tableau II.3).. On y distingue, selon les types d'images, les microscopes conventionnels, dont la conception dérive naturellement de celle des microscopes photoniques, et les microscopes à balayage dont l'origine s'inspire des systèmes de télévision. Dans le premier cas, on éclaire avec une famille de lentilles condenseurs une zone relativement étendue de l'échantillon et un système optique composé de plusieurs lentilles après l'échantillon (lentilles objectif, intermédiaire, projectif) en donne une image agrandie ou un cliché de diffraction. Dans le second cas un système d'éclairement focalise une sonde primaire en une sonde incidente sur l'échantillon et il n'existe pas d'optique après l'échantillon. C'est un jeu approprié de détecteurs et spectromètres (pour l'analyse) qui recueille les différents signaux consécutifs à l'interaction. L'image est obtenue au moyen d'un dispositif de balayage séquentiel de la sonde et d'une visualisation synchronisée des divers signaux recueillis.

    Microscopie conventionnelle

    Microscopie à balayage

    Faisceau fixe

    +

    optique après l'échantillon

    Faisceau mobile (sonde)

    Optique focalisante d'éclairement

    +

    Détecteurs appropriés

    Images globales

    ou

    diffractions

    Images par balayage

    ou

    analyses locales

    Tableau II.3

                En associant ces deux types de classification, on aboutit à quatre grandes familles de microscopes électroniques:

    1. MET (Microscopie conventionnelle à transmission), ou CEM ou CTEM
    2. MER (Microscopie conventionnelle à réflexion) ou REM
    3. MEB (Microscopie à balayage en réflexion) ou SEM
    4. MEBT (Microscopie à balayage en transmission) ou STEM [2]

    Parmi ces quatre catégories seules sont pratiquement utilisées aujourd'hui les catégories 1, 2 et 4 que nous allons discuter de façon détaillée dans les chapitres qui suivent. Signalons que pour associer les avantages des deux modes  (Conventionnel et Balayage) pour l'étude en transmission des lames minces, il est apparu au cours des dernières années des optiques hybrides TEM/STEM qui associent les deux modes de fonctionnement sur le même instrument. Ceci n'a été rendu possible qu'au prix d'une complexité accrue de la colonne dans laquelle ont été introduites quelques lentilles supplémentaires.

    En ce qui concerne la tension d'accélération usuelle, elle est de 10 à 30 kV pour les microscopes MEB, de 100 à 400 kV pour les microscopes MET (et de 100kV pour les microscopes MEBT). Les raisons du choix de ces tensions de fonctionnement seront explicitées ultérieurement quand on se penchera sur la compréhension des images (chapitre V).


    [2] Les sigles anglais correspondent à :

    1. CEM (CTEM) : Conventional (Transmission) Electron Microscope.
    2. REM : Reflexion (Conventional) Electron Microscope.
    3. SEM : Scanning (Reflexion) Electron Microscope.
    4. STEM : Scanning Transmission Electron Microscope.