Microscopie électronique en transmission 32560 30969490 2008-06-24T17:25:58Z Thijs!bot 105469 robot Ajoute: [[cs:Transmisní elektronový mikroskop]] [[Image:Elektronenmikroskop.jpg|150px|thumb|right|Vieux modèle de MET. La calotte sphérique en haut de l'intrument indique que la source d'électrons est portée à haute tension. En bas de l'appareil, une binoculaire permet d'observer l'écran phosphore sur lequel est projetée l'image électronique de l'échantillon.]] La '''microscopie électronique en transmission''' (MET ou TEM en anglais pour ''Transmission Electron Microscopy'') est une technique de [[microscopie]] où un faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince. Les processus d'interaction entre les électrons et l'échantillon donnent naissance à une image. Le [[grossissement]] peut atteindre {{formatnum:5000000}}. Le principe du microscope électronique en transmission a été mis au point en [[1931]] par [[Max Knoll]] et [[Ernst August Friedrich Ruska|Ernst Ruska]], ce dernier a d'ailleurs reçu le [[prix Nobel]] [[Prix Nobel de physique|de physique]] en [[1986]] pour cette invention. Elle consiste à placer un échantillon suffisamment mince sous un faisceau d'électrons, et d'utiliser un système de [[lentille magnétique|lentilles magnétiques]] pour projeter l'image de l'échantillon sur un écran fluorescent qui transforme l'image électronique en image optique. Pour les échantillons cristallins, un autre mode d'utilisation consiste à visualiser l'[[hologramme]], c'est-à-dire la figure de diffraction qui est [[transformée de Fourier]] de l'image de l'échantillon. La limite de résolution dépend de la [[longueur d'onde]] de De Broglie des électrons, donc de leur tension d'accélération, elle serait donc de l'ordre de grandeur du picomètre dans un cas idéal. Mais au début du XXI{{e}} siècle, la résolution pratique n'est pas meilleure que quelques [[Angstrom|Ångstroms]], la limitation principale étant les diverses [[Aberration (optique)|Aberrations]] des [[lentille magnétique|lentilles magnétiques]]. Les applications de la microscopie électronique couvrent un très vaste domaine, de l'observation d'échantillons biologiques, comme le noyau des cellules à l'analyse d'échantillons industriels dans la métallurgie ou l'industrie des semi-conducteurs. == Principes de base == Selon la théorie d'[[Ernst Abbe|Abbe]], la résolution maximum que l'on peut obtenir avec un microscope photonique dépend de la [[longueur d'onde]] des photons et de l'[[ouverture numérique]] du système optique. Selon la théorie d'[[Abbe]], la limite de résolution (transverse) <math>d</math> d'un microscope, c'est-à-dire la plus petite distance en-dessous de laquelle deux points voisins ne seront plus distingués, peut être exprimée simplement à l'aide de la longueur d'onde d'illumination <math>\lambda</math>, de l'indice de réfraction <math>n</math> en sortie d'objectif, et du demi angle du cône de lumière maximum accessible <center> <math>\alpha</math>. :<math>d=\frac{\lambda}{2\,n\,\sin\alpha}=\frac{\lambda}{2\,\textrm{NA}}</math> où NA désigne le produit <math>n \sin\alpha</math> ou ''ouverture numérique'' de l'objectif. </center> Au début du XX{{e}} siècle, l'idée est venue de repousser cette limite imposée par la longueur d'onde relativement élevée de la lumière visible, de 400 à 700 [[nanomètres]] en mettant en jeu des [[électrons]] dont on savait, d'après la [[Mécanique ondulatoire]] de [[Louis-Victor de Broglie]], qu'ils possédaient à la fois les propriétés des particules et celle des ondes, ce qui suggérait que l'on pouvait traiter un faisceau d'électrons de la même façon qu'un faisceau d'ondes électromagnétiques. Dans un microscope électronique, les électrons sont généralement générés par un procédé connu sous le nom d'[[émission thermoïonique]], à partir d'un filament, généralement, du [[tungstène]], comme pour les [[Lampe à incandescence classique|Lampes à incandescence]]. Les électrons sont accélérés par un potentiel électrostatique, mesuré en [[Volt]]s, et focalisés sur l'échantillon par des [[lentille électrostatique|lentilles électrostatiques]] ou des [[lentille magnétique|lentilles magnétiques]]. Le faisceau d'électrons interagit avec l'échantillon avec un contraste produit par des différences dans la densité ou de composition chimique, et c'est ce contraste qui est utilisé pour former une image de l'échantillon. Résumons la comparaison entre la microscopie optique qu'il vaut mieux appeler ma microscopie « photonique », car les microscopistes électroniques parlent d'« optique électronique » pour désigner les lois physiques et les dispositifs qui traitent les trajectoires électroniques: Le microscope photonique utilise comme rayonnement des [[photon]]s. Un système de [[lentille optique|lentilles optiques]] permet de [[Focalisation (optique)|focaliser]] le rayon lumineux qui traverse un échantillon "relativement mince". L'image obtenue se forme directement sur la [[rétine]] de l'observateur.<br/> Le microscope électronique en transmission utilise, lui, comme rayonnement des [[électron]]s. Un système de [[lentille magnétique|lentilles magnétiques]] permet de [[Focalisation (optique)|focaliser]] le rayon d'électrons sur un échantillon "extrêmement mince". L'image (ou cliché de [[diffraction]]) obtenue est transformée en image photonique, par exemple par un écran fluorescent, et ensuite, cette image photonique est traitée de la même façon que dans un microscope photonique, avec la possibilité d'un enregistrement sur un [[Pellicule|film photographique]] ou, depuis la fin du XX{{e}} siècle, un [[Capteur de photoscope|capteur CCD]]. Le microscope électronique en transmission a deux principaux modes de fonction suivant que l'on obtient une image ou un cliché de diffraction : ;mode image:Le faisceau d'électrons traverse l'échantillon. Suivant l'épaisseur, la densité ou la nature chimique de celui-ci, les électrons sont plus ou moins absorbés. En plaçant le détecteur dans le [[plan image]], on peut, par transparence, observer une image de la zone irradiée. C'est ce principe qui est utilisé, en autre, en biologie, pour observer des cellules ou des coupes minces d'organes. ;mode diffraction : Ce mode utilise le comportement ondulatoire des électrons (onde [[de Broglie]]) (ceci est modélisé par la [[physique quantique]]). Lorsqu'ils rencontrent de la matière organisée (des cristaux), ils vont donc être [[diffraction|diffractés]], c'est-à-dire déviés dans certaines directions dépendant de l'organisation des atomes. Le faisceau est diffracté en plusieurs petits faisceaux, et ceux-ci se recombinent pour former l'image, grâce à des lentilles magnétiques ([[électro-aimant]]s qui dévient les électrons). De la même façon qu'en microscopie photonique appliquée à la biologie, on utilise souvent des colorants pour rehausser le contraste des détails d'un échantillon, il est possible en microscopie électronique d'utiliser des composés de métaux lourds comme l'[[osmium]], le [[plomb]] ou l'[[uranium]] pour les fixer dans des zones d'intérêt, comme par exemple le noyau d'une cellule. Ces atomes lourds interagissent suffisamment avec les électrons pour les écarter de la partie du faisceau interceptée par le détecteur fluorescent, faisant ainsi apparaître des tâches sombres sur le détecteur. <br style="clear:both;"> == Description == Un microscope électronique en transmission se compose : *d'un système de pompes à [[Vide#En physique|vide]] ; *d'un système de refroidissement à azote ; *d'un [[canon à électron]] composé d'une source d'[[électron]]s, d'un système de focalisation et d'un accélérateur d'électrons ; *d'une colonne optique électronique contenant les [[lentille magnétique|lentilles magnétiques]] et les [[Diaphragme (photographie)|diaphragme]]s ; *d'un porte échantillon ; *d'un [[détecteur]] d'électrons ; *éventuellement d'autres éléments électroniques de mesure. == Préparation des échantillons == La préparation des échantillons pour une observation au microscope électronique en transmission est une phase très importante. C'est elle qui déterminera en partie la qualité des résultats obtenus. Le faisceau d'électrons devant traverser l'échantillon, son épaisseur doit être idéalement de l'ordre de quelques [[nanomètre]]s. Suivant l'utilisation que l'on fait du MET ([[biologie]] ou [[science des matériaux]]), la technique de préparation des échantillons diffère. === Biologie === Les échantillons sont sous la forme de lames minces et sont placés sous ultravide. En biologie, la lame mince s'obtient en faisant une coupe (ultra microtome). Une technique de microcleavage a permis d'obtenir des profils de [[multicouche]]s : ''Microcleavage transmission electron microscopy applied to the interfacial structure of multilayers and microstructure of small particles on a substrate'' ==== Coloration négative ==== Les échantillons minces (de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur) sont absorbés sur une grille métallique recouverte d'un film de carbone fin (quelques nanomètres). Ce sont typiquement des complexes protéiques ou des virus. L'excès d'eau est absorbé à l'aide d'un papier buvard. Une solution contenant un agent contrastant, tel du tetroxyde d'osmium ou de l'acétate d'uranyl, est ajouté sur la grille pendant quelques secondes puis absorbé. Celui-ci va se fixer préférentiellement au bord des particules absorbées. De par sa forte masse atomique, le contrastant dévie les électrons dans le diaphragme objectif. Ainsi l'échantillon biologique apparaît plus clair que ce qui l'entoure, d'où le nom de coloration négative. L'échantillon apparaît blanc sur un fond sombre sur les photographies. === Ombrage rotatif === Cette technique également appelée "ombrage réplique" est une technique de MET qui étudie le relief des structures. Elle consiste en la vaporisation d'une couche très fine de platine, avec un angle précis, sur l'échantillon maintenu en rotation. Cette couche de platine, consolidée avec une couche de carbone également très fine, est ensuite décollée de l'échantillon puis observée directement par dépôt sur les grilles d'observations. === Métallographie et semi-conducteurs=== [[Image:Fib_tem_sample.jpg|thumb|right|Image [[Microscopie électronique à balayage|MEB]] d'un échantillon préparé pour une analyse MET avec une [[Sonde ionique focalisée]]. la membrane mince dont l'épaisseur est d'environ 300nm est acceptable pour une analyse MET, à condition de ne pas rechercher une très bonne résolution spatiale.]] En métallurgie, elle s'obtient par un découpage minutieux (par exemple avec une [[scie à fil diamanté]]), puis un amincissement. La technique la plus courante consiste en phase finale à faire un usinage avec une [[Sonde ionique focalisée]] intrument assez répandu dans les laboratoires sous le nom de FIB (Focused ion beam). == Systèmes d'illumination == En microscopie électronique, l'illumination des échantillons est faite au moyen d'électrons. La source d'électron est appelée canon ou [[cathode]]. Il en existe de plusieurs types. Selon les systèmes, le faisceau d'électrons sera plus ou moins cohérent, c'est-à-dire que les électrons seront plus ou moins en phase. Un faisceau cohérent augmente la résolution des images. === Canon thermique === Une pointe de métal en forme de V est chauffée à haute température. Ainsi les électrons présents dans le métal se déplacent très vite. Un petit nombre d'électrons arrivent tellement à l'angle du V qu'ils sont éjectés du métal. Simultanément un champ électrique de l'ordre de grandeur de 100 kV est appliqué. Les électrons qui sont sortis du métal sont accélérés par le champ électrique en direction de l'échantillon. D'une manière générale le canon à chauffage ne donne pas un faisceau très cohérent. Cela est dû au fait que la vitesse, et donc l'énergie cinétique des électrons émis, suit une distribution gaussienne. Il en découle une aberration chromatique. Il existe des filaments en tungstène et en hexaborate de lanthanum. Ces derniers sont beaucoup plus chers mais fournissent une meilleure cohérence. === Canon à émission de champ (en anglais ''Field Emission Gun'' ou ''FEG'') === Ce canon consiste également en une pointe de [[tungstène]] cristallin extrêmement acérée. Elle n'est pas chauffée mais, en revanche, un champ électrique important est appliqué (2 à 7 kV). De ce fait, les électrons émis ont une variabilité énergétique très faible. Le faisceau est donc très cohérent. Le vide présent dans ce genre de microscope doit être extrêmement poussé. Si ce n'est pas le cas, la pointe du canon chauffe très fortement et se casse. Cette exigence particulière fait des FEG des machines très coûteuses et délicates. == Modes d'imagerie == === Mode en champ clair === L'écran est placé dans le plan image. On observe une image agrandie de l'objet. Ce mode est surtout utilisé pour observer des objets principalement irréguliers, des cellules biologiques par exemple. === Mode faible dose === Ce mode est un mode en champ clair optimisé pour l'observation d'échantillons sensibles aux électrons. Il est indispensable à l'étude d'échantillons biologiques observés dans un état hydraté vitreux. Il permet d'irradier au minimum la zone de l'échantillon que l'on veut micrographier. Le principe de ce mode est le suivant. À faible grossissement (environ 5&nbsp;000&nbsp;x), on sélectionne une zone d'intérêt dans l'échantillon. À ce grossissement, on n'irradie que très faiblement l'objet (la dose électronique est proportionnelle au carré du grossissement). À partir de ce positionnement, la zone d'exposition et la zone de mise au point sont définies. Elles sont distantes de quelques micromètres l'une de l'autre. La mise au point nécessite d'irradier l'échantillon pendant une durée de plusieurs secondes au grossissement final (typiquement 40&nbsp;000&nbsp;x). Cela détériore l'échantillon et c'est pourquoi on le fait à une certaine distance de la zone d'exposition. Cette dernière zone n'est irradiée au grossissement final que le temps d'enregistrer une micrographie (environ 1 seconde). === 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 [[lentille électromagnétique|lentilles électromagnétiques]]), 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, …). ''Voir aussi : [[Théorie de la diffraction]].'' === Mode en champ sombre === En sélectionnant un faisceau diffracté particulier pour former l'image, on obtient un contraste dit « en champ sombre » (''dark field''). Selon l'orientation locale d'un cristal, soit celui-ci laisse passer les électrons en ligne droite, auquel cas on a un contraste clair, soit il dévie les électrons et l'on obtient un contraste sombre. Supposons que, pour un cristal, le faisceau soit presque en conditions de diffraction : le faisceau n'est pas dévié ; il traverse donc le cristallite sans encombre et celui-ci apparaît clair. Si maintenant la maille est localement distordue par un défaut (par exemple une [[dislocation]]), alors le faisceau se trouve localement en condition de diffraction et est dévié. Cette zone de défaut apparaît sombre. === Microscopie à haute résolution (HRMET) === Certains électrons sont déviés (diffractés), d'autres sont transmis en ligne directe. Si l'on fait interférer un faisceau transmis en ligne directe avec un faisceau diffracté, on obtient une figure d'interférence. Les contrastes sur l'image obtenue sont donc directement corrélés au potentiel projeté de l'échantillon. Suivant la défocalisation et la taille de l'échantillon, cette corrélation change. Une simulation de la figure d'interférence est alors nécessaire pour interpréter l'image obtenue et dire si les colonnes atomiques sont situées sur les points blancs, noirs ou entre les deux. Il ne faut pas croire qu'une image HRMET est une simple photographie où les points blancs (ou noirs) sont des atomes. Ces images, après traitements, nous permettent tout de même de tirer des informations sur l'organisation cristalline ainsi que les défauts qui s'y trouvent (joints de grain, dislocations...). === Microscopie en transmission à balayage (METB) === Cette technique, aussi appelée STEM (''scanning transmission electron microscopy''), consiste à donner un mouvement de balayage au faisceau. Le principal avantage est de pouvoir faire une analyse élémentaire des rayons X émis par les atomes sous l'effet des électrons (voir l'article sur la [[microsonde de Castaing]] pour plus de détails) et ainsi dresser une cartographie chimique de la partie analysée. == Aberrations== Si le microscope électronique en transmission était parfait, sa résolution serait de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde des électrons. Pour des électrons accélérés à environ 100 kV, elle serait de l'ordre du [[picomètre]] (10<sup>-12</sup> m). Cependant l'optique électronique est bien moins efficace que l'[[Optique|optique photonique]]. La résolution pratique est de quelques [[Angström]]. === Aberration chromatique === Lorsqu'un électron traverse une lentille, il subit un changement de direction. L'ampleur de la déviation dépend de la longueur d'onde de ce dernier (c'est-à-dire de son énergie, de sa couleur). Or les électrons composant le faisceau ne possèdent pas tous la même longueur d'onde. On dit que le faisceau n'est pas monochromatique. De ce fait, l'image d'un point ne sera pas un point mais un disque. Le faisceau n'est pas monochromatique pour deux raisons. Premièrement, au niveau du [[#Systèmes d'illumination|canon]], les électrons émis ont une énergie qui varie autour d'une certaine valeur (variation chromatique). Deuxièmement, au moment où il traverse l'échantillon, un électron du faisceau peut subir des chocs inélastiques avec des électrons composant l'échantillon. Dans ce cas, l'électron du faisceau perd de l'énergie. [[Image:Aberration spherique schema.jpg|Aberration spherique schema.jpg|thumb|Schéma de l'aberration sphérique]] === Aberration sphérique=== L'angle de déviation des électrons est également proportionnel à la distance entre le centre de la lentille et l'endroit où les électrons traversent cette lentille. Mais la relation n'est pas linéaire et les électrons qui passent loin du centre de la lentille sont trop déviés et par conséquent focalisés en avant. === Astigmatisme === La lentille ne dévie pas les électrons de la même manière selon leur direction initiale. Si la lentille objectif est astigmate, un point sur l'objet aura pour image une ligne. == Erreur courante== Une erreur courante consiste à dire « microscope électronique à transmission » (par analogie avec le « microscope électronique à balayage »). Cette erreur est fréquente dans le milieu scientifique, et même dans des livres ! Il s'agit bien d'un microscope ''en'' transmission (on observe l'échantillon ''en'' transparence, ''en'' transmission). == Voir aussi == === Articles connexes === * [[Interaction rayonnement-matière]] * [[Microscopie électronique à balayage]] * [[Microsonde de Castaing]] === Bibliographie === * {{Microscopie électronique}} === Liens externes === * [http://www.cemes.fr/microscopie/ Dans l'œil du microscope électronique en transmission] {{Portail|Physique|électricité}} [[Catégorie:Science des matériaux]] [[Catégorie:Histologie]] [[Catégorie:Microscope électronique]] [[cs:Transmisní elektronový mikroskop]] [[de:Transmissionselektronenmikroskop]] [[en:Transmission electron microscopy]] [[es:Microscopio electrónico de transmisión]] [[fa:میکروسکوپ الکترونی عبوری]] [[hu:Transzmissziós elektronmikroszkóp]] [[ja:透過型電子顕微鏡]] [[tr:Geçirimli elektron mikroskobu]] [[vi:Kính hiển vi điện tử truyền qua]] [[zh:透射电子显微镜]]