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Lorsqu'on observe des images acquises avec un microscope photonique, l'interprétation du message perçu ne soulève pas à première vue de difficultés particulières. En effet il s'agit d'une représentation agrandie du monde observé utilisant les mêmes systèmes de perception que dans la vision usuelle, à savoir une image souvent colorée avec des parties sombres et lumineuses. On admet alors que selon le cas, examen par transmission ou par réflexion, les différentes zones de l'échantillon absorbent ou réfléchissent différemment et voire même sélectivement en fonction de leur longueur d'onde, les rayons lumineux. Sans être un expert des mécanismes physiques complexes qui interviennent lors de l'interaction du champ électromagnétique avec la matière, l'observateur peut tirer des informations plus ou moins significatives de ce qu'il voit directement ou indirectement à travers le support d'une caméra de télévision ou d'un film photographique. Car dans la vie quotidienne, il se trouve confronté à l'expérience de la vitre plus moins transparente ou du miroir qui lui renvoie sa propre image. Il a même déjà eu l'occasion de s'interroger sur la validité de ses observations devant des images déformées à travers la paroi d'une bouteille ou sur la surface du café contenu dans son bol. En contemplant les rayons du soleil à travers un voilage les figures irisées et géométriques qu'il y a discernées ont souvent attiré son attention.

Mais dans le monde exploré par le microscope électronique, il n'est pas aussi évident de comprendre les images obtenues et d'en déduire des informations utiles sur l'échantillon observé. Car nous manquons singulièrement d'échelles et de repères lorsqu'il s'agit d'explorer la matière dans sa constitution la plus intime. Le microscope électronique est un outil fantastique pour voir l'invisible, mais les clefs destinées à en apprécier les richesses doivent être élaborées. Et plus on s'approche des limites ultimes, à savoir reconstruire la structure de la matière atome par atome, plus l'interprétation des images requiert un support théorique élaboré faisant appel à des notions fort variées de mécanique quantique, physique atomique, optique ondulatoire, cristallographie, physique des solides, chimie inorganique, biologie moléculaire selon la nature des échantillons étudiés.

Loin de nous l'idée d'aborder ce champ complexe de connaissances qui peut (et doit) conduire à la prévision des images enregistrées pour une certaine structure ou défaut de structure, en fonction des conditions de fonctionnement du microscope. Ce qui constitue bien évidemment une étape recommandée. Notre ambition, dans le présent chapitre, est de fournir au lecteur les éléments de réflexion lui permettant de se poser quelques questions élémentaires et de mettre à l'épreuve son sens critique vis à vis des images qu'il peut être amené à contempler.

La première étape va nous plonger directement dans la situation extrême où on suppose qu'un électron de haute énergie passe au voisinage d'un atome isolé. Comme nous l'avons rappelé, ce dernier est constitué de charges électriques, les unes positives concentrées dans le noyau, les autres, les électrons de charge négative, gravitant autour du noyau. Entre ces charges relativement localisées et la charge négative de l'électron incident se développent des interactions coulombiennes, c'est-à-dire des forces attractives ou répulsives qui vont contribuer à dévier ou à ralentir ce dernier. A priori on considère que l'atome étudié est au repos dans son état d'énergie minimum et qu'il ne peut que prendre de l'énergie à l'électron primaire qui par conséquent subit une perte d'énergie. La figure V.1 illustre les différents types d'évènements qui peuvent se produire alors.


Figure V.1    a) Diffusions élastique et inélastique entre un électron incident de haute énergie et un atome ; b) Niveaux énergétiques concernés par une excitation électronique avec la perte d'énergie correspondante subie par l'électron incident de haute énergie.

Les électrons qui s'approchent le plus du noyau subissent une interaction attractive et sont par conséquent déviés d'une façon significative. Il est convenu d'appeler ce type d'interaction une diffusion élastique (sans changement d'énergie). C'est à une autre échelle l'équivalent d'une bille légère et rapide qui rebondit sur une boule de billard lourde sans lui communiquer d'énergie cinétique car la différence de masse entre les deux partenaires de la collision est trop importante. Dans le cas qui nous intéresse, l'angle de déviation est important, ce qui reste tout à fait relatif, car il s'agit d'un angle en moyenne de 10-2 radian c'est à dire de l'ordre dy demi-degré d'angle.

Les électrons qui traversent le nuage des orbitales électroniques interagissent avec des particules de même masse et peuvent par conséquent leur communiquer de l'énergie, c'est-à-dire dans le modèle atomique les faire passer d'un niveau à un autre ou même les expulser complètement de façon à transformer l'atome initialement neutre en ion. La perte  d'énergie subie par l'électron incident est ainsi gagnée par l'électron de la cible, comme montré sur la figure V.2.

La déviation angulaire est en générale sensiblement plus faible que dans le cas de la diffusion élastique : on dit alors que les processus de diffusion inélastique (avec transfert d'énergie) sont concentrés dans un domaine angulaire restreint (de l'ordre de 10-4 à 10-3 radian).

Nous allons donc décrire successivement les conséquences des mécanismes élémentaires pour la compréhension des images de microscopie électronique à transmission en y insistant  sur le cas de la microscopie à très haute résolution.