MÉTALLOGRAPHIE - Microscopie électronique


MÉTALLOGRAPHIE - Microscopie électronique
MÉTALLOGRAPHIE - Microscopie électronique

Les appareils d’optique électronique – microscope électronique à balayage (M.E.B.), microanalyseur à sonde électronique (M.A.S.E.) et microscope électronique en transmission – occupent une position privilégiée dans le domaine de la caractérisation microstructurale des matériaux en ce sens que chacun d’eux permet d’obtenir sur un même échantillon non seulement des renseignements relatifs à la morphologie et à la répartition des constituants, mais aussi des informations cristallographiques et compositionnelles. Le principe de fonctionnement de tous ces appareils repose sur le fait que, sous le faisceau d’électrons incidents, l’échantillon émet divers signaux électroniques et électromagnétiques suite à l’interaction électrons-matière (fig. 1). L’intensité de ces émissions varie d’un point à l’autre de l’échantillon et apporte une information localisée sur la microstructure, la structure cristallographique et la composition chimique. Historiquement, la distinction entre ces trois appareils et leurs domaines respectifs d’emploi était assez nette:

– le microscope électronique en transmission , dont le premier modèle date des années trente, a été mis au point pour obtenir des images à haute résolution et des diagrammes de diffraction électronique à partir d’échantillons transparents aux électrons incidents ayant une énergie d’une ou quelques centaines de keV (énergie pouvant aller jusqu’à quelques MeV sur certains appareils particuliers à très haute tension);

– au début des années 1950, le microanalyseur à sonde électronique a été conçu dans le but d’effectuer des analyses chimiques locales, à l’aide de la spectrométrie des rayons X caractéristiques engendrés dans un petit volume d’un échantillon massif bombardé par un faisceau très fin d’électrons, dont l’énergie peut varier de 1 à 40 keV environ;

– enfin, au cours des années soixante, la microscopie électronique à balayage a pu se développer grâce à la réalisation de détecteurs efficaces, qui ont permis d’utiliser les électrons secondaires et les électrons rétrodiffusés émis par l’échantillon pour reconstituer une image de la microstructure sur un écran cathodique balayé en synchronisation avec le balayage de l’échantillon par le faisceau électronique.

De nos jours, ces distinctions entre les différents appareils se sont atténuées en raison du développement d’instruments hybrides. Il s’agit notamment, d’une part, de l’adjonction au microscope électronique à balayage et au microscope électronique en transmission de spectromètres X à sélection en énergie et, d’autre part, de l’utilisation de la technique de balayage pour la reconstitution d’images à partir des échantillons transparents étudiés dans un microscope électronique en transmission. Il subsiste cependant une certaine spécialisation des appareils commerciaux, selon que la vocation principale de l’instrument est d’étudier des échantillons massifs ou bien des échantillons transparents aux électrons. Nous examinerons successivement le fonctionnement et le domaine d’application des appareils correspondant à ces deux cas.

1. Microscopie électronique à balayage sur échantillons massifs

Appareillage

La figure 2 montre schématiquement les principaux composants d’un microscope électronique à balayage. Le système d’éclairage de l’échantillon est composé d’un canon à électrons et d’une série de deux ou trois lentilles électromagnétiques qui permettent de former un faisceau d’électrons monocinétiques dont l’énergie, l’intensité et les dimensions peuvent varier au niveau de l’échantillon. Un carré de la surface de l’échantillon à étudier est balayé par le faisceau à l’aide de bobines déflectrices convenablement disposées sur la trajectoire des électrons incidents et activées par un générateur de balayage.

Les différents signaux émis par l’échantillon (électrons secondaires, électrons rétrodiffusés, électrons Auger, rayonnement X et autres rayonnements électromagnétiques dans la gamme de l’ultraviolet, de la lumière visible et de l’infrarouge) sont captés par des détecteurs spécifiques de chaque type d’émission placés autour de l’échantillon. Après amplification , le signal choisi pour former l’image est renvoyé sur le dispositif de modulation d’intensité du faisceau électronique d’un tube cathodique. C’est la synchronisation parfaite des balayages du faisceau électronique explorant la surface de l’échantillon et du faisceau cathodique qui permet de construire l’image. Le grossissement de celle-ci est tout simplement défini par le rapport entre les dimensions de l’écran cathodique et celles de l’aire balayée sur l’échantillon. Il peut varier de façon continue entre 10 et 50 000 environ.

Le pouvoir de résolution dépend des dimensions et de l’intensité de la sonde électronique au niveau de l’échantillon, du volume de matière qui émet les électrons et les photons et du bruit dans la chaîne de détection et d’amplification du signal. On peut faire varier ces différents paramètres dans des limites assez larges. Les images sont enregistrées le plus souvent en faisant une photographie de l’écran du tube cathodique. L’échantillon est monté sur une platine goniométrique qui permet de l’orienter convenablement par rapport au faisceau incident. Pour les besoins d’analyse chimique, on associe au microscope électronique à balayage un spectromètre adapté au signal analytique choisi (rayons X principalement).

Conditions d’observation

Les conditions d’observation, d’enregistrement et de traitement des signaux varient en fonction de la nature de l’information que l’on désire exploiter, information morphologique, cristallographique ou compositionnelle.

Fonctionnement en mode image

L’obtention des images à l’aide des électrons secondaires est la technique la plus utilisée pour l’observation de la microstructure ou de la topographie d’un échantillon massif. Dans le premier cas, il s’agit d’un échantillon plan poli et attaqué à l’aide des techniques usuelles de la métallographie. Dans le second cas, l’échantillon est le plus souvent examiné directement sans préparation préalable. Le contraste de l’image qui permet de visualiser la surface de l’échantillon résulte de ce que l’intensité d’émission des électrons secondaires est particulièrement sensible au microrelief de la surface observée. De plus le volume d’émission de ce signal est très faible et cela, combiné avec la sensibilité élevée du détecteur et le faible niveau de bruit dans la chaîne d’amplification du signal, permet d’atteindre, dans les meilleurs cas, un pouvoir de résolution spatiale de l’ordre de 3 nm. Les figures 3 a et 3 b montrent des exemples d’images obtenues à l’aide des électrons secondaires. La figure 3 a a été faite à partir d’une coupe métallographique d’acier; le microrelief qui permet de mettre en évidence les différents constituants de la structure micrographique est dû à l’attaque sélective de ceux-ci par un réactif chimique. La figure 3 b montre la surface de rupture d’un matériau métallique; le relief propre des cassures fait que l’emploi des électrons secondaires est particulièrement bien adapté à ce type d’examen (microfractographie). En fait, grâce à sa très grande profondeur de champ due à l’angle réduit d’ouverture du faisceau d’électrons, le microscope électronique à balayage est l’outil idéal pour l’examen des surfaces anfractueuses.

Le second signal utilisé pour l’obtention des images est celui correspondant aux électrons rétrodiffusés par l’échantillon. L’intensité de cette émission est très sensible au numéro atomique moyen local. On peut ainsi observer la répartition des constituants microstructuraux d’un échantillon poli et non attaqué (fig. 4 a). Grâce à un système de traitement électronique du signal dans la chaîne d’amplification, il est possible de distinguer sur l’image des constituants dont la différence de numéro atomique moyen est inférieure à une unité. Dans le cas d’un solide cristallin, l’intensité de l’émission des électrons rétrodiffusés dépend également de l’angle d’incidence du faisceau d’électrons sur la surface de l’échantillon et ceci en raison de l’effet de la diffraction sur les trajectoires des électrons à l’intérieur du cristal. À l’aide des électrons rétrodiffusés, on peut ainsi obtenir à partir d’un échantillon polycristallin une image présentant un contraste dit cristallin, chaque grain (ou sous-grain) correspondant à un ton de gris différent (fig. 4 b).

De façon générale, le pouvoir de résolution spatiale des images formées par les électrons rétrodiffusés est un peu inférieur à celui correspondant aux électrons secondaires en raison de leur volume d’émission plus grand. Notons enfin que les émissions électroniques sont aussi sensibles à des variations locales éventuelles des propriétés magnétiques de l’échantillon et que cette particularité peut être exploitée pour obtenir un effet de contraste particulier. Il existe de même des techniques spéciales pour l’étude de la structure des semi-conducteurs.

Renseignements cristallographiques

L’étude de la cristallographie des constituants, en particulier l’orientation des grains d’un solide polycristallin, peut être abordée sur un échantillon massif par deux techniques différentes qui sont, d’une part, les figures de diffraction du type pseudo-Kikuchi et, d’autre part, la diffraction de Kossel.

Dans le premier cas, le diagramme de diffraction est obtenu, comme pour les images en contraste cristallin, grâce à la sensibilité de l’émission des électrons rétrodiffusés vis-à-vis de l’angle d’incidence du faisceau électronique sur le réseau cristallographique de l’échantillon. Au lieu de balayer le faisceau incident sur un carré de la surface, on modifie l’excitation des bobines déflectrices afin de faire pivoter le faisceau de plusieurs degrés autour d’un point fixe préalablement choisi de l’échantillon. La variation de l’angle d’incidence du faisceau conduit ainsi à la visualisation sur l’écran du tube cathodique d’une figure de diffraction correspondant à une zone localisée de l’échantillon ayant une dimension de l’ordre de quelques micromètres (fig. 5 a). Les lignes de forte et de faible intensité sur le diagramme peuvent être indexées en relation avec les plans de diffraction, ce qui permet ainsi de calculer les paramètres cristallins de l’échantillon et de déterminer ses orientations cristallographiques.

La technique de diffraction de Kossel repose sur le fait que les rayons X engendrés dans l’échantillon par les électrons incidents sont ensuite diffractés par le réseau cristallin. Le diagramme de diffraction (fig. 5 b) est enregistré sur une plaque photographique convenablement placée près de l’échantillon. Le dispositif permet d’obtenir des renseignements cristallographiques dans une zone de quelques micromètres de diamètre.

Il est à noter que la qualité de ces deux types de diagramme peut être affectée par la présence de défauts cristallins, en particulier les dislocations.

Microanalyse

La méthode de microanalyse le plus souvent employée dans un microscope à balayage est celle de la spectrométrie X. Sous le bombardement des électrons incidents, l’ionisation des atomes au niveau des couches internes donne naissance à un rayonnement X caractéristique des espèces chimiques présentes dans l’échantillon. Le spectre de raies caractéristiques est superposé sur un fond continu du rayonnement de freinage formé lors de l’interaction des électrons incidents avec le champ coulombique des ions.

Pour réaliser la microanalyse dans un microscope électronique à balayage, on utilise un spectromètre à semiconducteur (silicium dopé au lithium) couramment appelé «sélectif en énergie», dont le schéma de fonctionnement est indiqué sur la figure 6. Dans le détecteur Si (Li) un photon X émis par l’échantillon est absorbé par effet photo-électrique. Le photo-électron dissipe son énergie par création de paires trou-électron dont le nombre moyen est proportionnel à l’énergie initiale du photon X. Un champ électrique créé par polarisation des bornes du semiconducteur Si (Li) permet de collecter la charge qui est proportionnelle au nombre de paires, et donc à l’énergie du photon incident. La charge est ensuite convertie en impulsion électrique dont l’amplitude est proportionnelle à l’énergie du photon X. Après amplification, cette amplitude est mesurée dans un convertisseur analogiquenumérique. Le spectre des photons émis est enfin reconstitué dans un analyseur multicanaux en bout de la chaîne de détection. Chaque canal de l’analyseur correspond à une bande d’énergie (typiquement de 10 ou de 20 eV de large) dans une gamme prédéterminée (typiquement de 0 à 20 keV). L’arrivée d’une impulsion fait augmenter d’une unité le contenu du canal correspondant à l’énergie du photon initial. Le spectre est donc représenté par un histogramme du nombre de coups dans chaque canal après un certain temps d’acquisition (fig. 7).

Le détecteur et le premier étage d’amplification sont maintenus à basse température à l’aide d’un cryostat afin d’assurer le fonctionnement correct du détecteur et d’atténuer le bruit électronique du système. Une seconde chaîne d’amplification est montée en parallèle avec la chaîne de mesure et de stockage afin d’éliminer les impulsions correspondant à l’arrivée simultanée de deux photons dans le détecteur, ce qui fausse la mesure de l’énergie de chaque photon (amplificateur de rejet d’empilement).

L’ensemble des opérations de traitement des impulsions et d’acquisition du spectre est géré par un miniordinateur qui permet également d’effectuer les opérations de soustraction du fond continu et de déconvolution des pics correspondant aux raies spectrales superposées en raison de la résolution médiocre de ce type de spectromètre. Un logiciel spécial est inclus pour calculer la composition chimique, à partir des intensités spectrales brutes, à l’aide des procédures de corrections solidement établies sur les bases physiques de la microanalyse à sonde électronique.

L’emploi des spectromètres à sélection en énergie est limité en général à l’analyse quantitative des éléments chimiques de numéro atomique supérieur à 11, bien qu’il soit maintenant possible de détecter qualitativement les atomes légers jusqu’au bore (Z = 5). Par ailleurs, la sensibilité de détection d’un spectromètre à sélection en énergie est nettement inférieure à celle d’un spectromètre à dispersion en longueur d’onde (spectromètre à cristaux) en raison de la résolution médiocre des raies qui diminue le rapport picond. L’adjonction de spectromètres à cristaux au microscope à balayage devient assez courante de sorte que la distinction entre le M.E.B. et le M.A.S.E. tend à disparaître. Quant à la résolution spatiale de la microanalyse, elle est indépendante du type de spectromètre employé mais dépend du volume de l’échantillon dans lequel sont engendrés les rayons X. Ce volume, typiquement de l’ordre du 猪m3, est déterminé seulement par la distance de diffusion des électrons incidents dans la cible. Puisque ce volume est d’autant plus grand que l’énergie des électrons incidents est plus élevée, on limite pour la microanalyse cette énergie à une valeur de deux ou trois fois celle qui est nécessaire pour exciter le rayonnement caractéristique des éléments à analyser.

Applications

Le domaine d’application de la microscopie électronique à balayage couvre celui de la métallographie en général. Grâce à son pouvoir de résolution élevé et à sa grande profondeur de champ, le M.E.B. permet de relier entre elles les observations microstructurales classiques faites au microscope optique et les observations réalisées au microscope électronique en transmission qui permettent en particulier d’obtenir des renseignements qualitatifs et quantitatifs sur les imperfections du réseau cristallin.

Nous avons vu précédemment que le M.E.B. était aussi un outil de choix pour l’étude des cassures. Il peut de plus être équipé de porte-objets spécialement étudiés permettant d’observer in situ des phénomènes transitoires et dynamiques (chauffage, refroidissement, et déformation d’échantillons métalliques).

2. Microscopie électronique par transmission

Préparation des échantillons

En raison de la forte interaction entre les électrons et la matière, pour qu’un échantillon soit transparent aux électrons, il faut que son épaisseur ne dépasse pas quelques centaines de nanomètres pour les tensions d’accélération courantes – de 100 à 300 keV – ou quelques micromètres pour les très hautes tensions de 1 à 3 MeV. On a donc mis au point des techniques appropriées pour préparer des objets sous forme de lames minces directement observables par transmission. Pour les métaux, la technique la plus usuelle consiste à découper dans le matériau massif une pastille de 3 mm de diamètre et à polir électrolytiquement celle-ci au moyen de deux jets d’électrolyte dirigés au centre, de part et d’autre de ses grandes faces, jusqu’à l’apparition d’un trou. Le métal à la périphérie du trou est transparent aux électrons, tandis que la couronne extérieure non amincie assure la rigidité de l’échantillon. Dans le cas des matériaux non conducteurs ou réfractaires, on remplace le polissage électrolytique par un polissage chimique ou bien encore on effectue l’amincissement par bombardement ionique.

Une technique plus ancienne qui a encore sa place dans les applications métallographiques de la microscopie électronique est celle des répliques, qui consiste à déposer sur un échantillon massif une mince couche d’une substance reproduisant fidèlement la microgéométrie de la surface. Après séparation d’avec le métal, c’est cette réplique qui est examinée dans le microscope; cette technique fournit des informations sur la topographie des coupes métallographiques, des surfaces de rupture et des surfaces ayant subi un traitement physico-chimique quelconque. La réplique la plus souvent utilisée est constituée d’une fine pellicule de carbone évaporé par chauffage sous vide et condensé sur la surface à étudier. Son décollement est réalisé par dissolution chimique ou électrolytique du métal sous-jacent: il s’agit donc d’une méthode destructive, mais en choisissant judicieusement les conditions de dissolution on peut sélectivement extraire sur la réplique des constituants de seconde phase (précipités ou inclusions) inclus à la surface du métal. Si l’on souhaite conserver intacte la surface du matériau, on peut préparer des répliques en deux temps. On prend d’abord une empreinte épaisse de l’échantillon au moyen, le plus souvent, d’une matière plastique préalablement ramollie par un solvant. Après séchage, cette contre-réplique est décollée mécaniquement, puis, comme dans le cas précédent, recouverte d’un film de carbone, et enfin dissoute dans un solvant approprié. Pour leur examen au microscope électronique, les films de carbone sont récupérés sur des microgrilles, l’observation s’effectuant à travers les mailles de celles-ci.

Appareillage

Le microscope électronique par transmission comporte trois parties principales: le système d’éclairage , l’objectif et le système de projection de l’image formée par l’objectif sur l’écran d’observation ou sur une plaque photographique. (Le schéma optique de cet appareil est donné figure 8 a.) Le porte-objets goniométrique contenant l’échantillon est placé entre les pièces polaires de l’objectif; celui-ci est une lentille électromagnétique à très courte distance focale, dont les qualités optiques fixent le pouvoir de résolution ultime du microscope électronique (de 0,1 à 0,2 nm env.). L’échantillon est éclairé par un faisceau quasi parallèle d’électrons monocinétiques produits par le système d’éclairage qui, analogue à celui du M.E.B., est composé d’une source d’électrons et des lentilles de condenseur. Sous l’action du champ magnétique de l’objectif, les électrons traversant l’échantillon en un point donné convergent vers un point conjugué dans le plan image de cette lentille. Une série de lentilles disposées en aval de ce premier étage intermédiaire constitue le système de projection à focale variable (zoom) qui permet de faire varier le grandissement de l’image finale sur l’écran d’observation. Celui-ci est recouvert d’une substance fluorescente qui, soumise à l’impact des électrons, restitue une image visible à l’œil. Pour l’enregistrement de l’image, l’écran d’observation est remplacé par une plaque photographique.

Aujourd’hui, la plupart des microscopes électroniques par transmission sont également équipés pour fonctionner en mode balayage. Cela a nécessité des modifications au niveau du système d’éclairage, et notamment la mise au point d’une lentille condenseur-objectif dont le rôle, comme son nom l’indique, est de servir à la fois de dernière lentille de condenseur pour former une sonde très fine et de grand angle d’ouverture sur le plan de l’échantillon ainsi que d’objectif usuel permettant de réaliser des images classiques en mode de travail conventionnel à faisceau incident stationnaire. Le balayage de l’échantillon par le faisceau incident est assuré par des bobines déflectrices incluses dans le système d’éclairage, et un détecteur, convenablement placé sur la trajectoire des électrons transmis, permet de renvoyer le signal correspondant sur le tube cathodique d’observation. Dans certains cas, on ajoute également des détecteurs d’électrons secondaires et d’électrons rétrodiffusés.

Notons enfin que, comme dans le cas du M.E.B., il existe un certain nombre de porte-objets spéciaux qui permettent d’effectuer des expériences in situ dans le microscope, chauffage ou refroidissement de l’échantillon, déformation plastique. Ces accessoires sont particulièrement utiles en microscopie à très haute tension car, dans ce cas, le plus grand pouvoir de pénétration des électrons permet d’effectuer des observations sur des échantillons plus épais et donc plus représentatifs de l’état massif.

Conditions d’observation

Objets amorphes

Lorsque les électrons traversent l’échantillon, leurs trajectoires sont modifiées par l’interaction électrons-matière. Pour un échantillon amorphe (réplique), il s’agit d’une diffusion plus ou moins large autour de la direction initiale suivant l’épaisseur et la densité de l’échantillon. Il faut noter qu’en raison des aberrations qui affectent les lentilles de l’optique électronique une image convenable de l’échantillon ne peut être obtenue qu’en limitant l’ouverture angulaire du faisceau transmis à une valeur de quelques milliradians, ce qui est opéré à l’aide d’un diaphragme placé dans le plan focal de l’objectif (diaphragme de contraste). Le contraste de l’image d’un objet amorphe, appelé contraste de diffusion , résulte de la variation de l’intensité diffusée en dehors de ce diaphragme, en fonction de l’épaisseur et de la densité locale de l’échantillon. La figure 9 montre une image de ce type obtenue à partir d’une réplique en carbone avec extraction de précipités, relative à une surface de rupture intergranulaire d’acier.

Échantillons cristallins

Lorsque les électrons traversent un échantillon cristallin, leur interaction avec la matière conduit au phénomène de diffraction qui peut être analysé en termes d’ondes associées à des particules: à la sortie du cristal, le faisceau incident est décomposé en une série de faisceaux diffractés dont les directions de propagation par rapport à celle du faisceau incident sont données par les relations de Bragg (cf. OPTIQUE CRISTALLINE - Diffraction par les cristaux). Les faisceaux diffractés convergent chacun en un point distinct dans le plan focal de l’objectif, puis divergent à nouveau pour reconstituer la première image intermédiaire de l’objet. Pour observer directement cette figure de diffraction (diagramme de Fraunhofer), il suffit d’enlever le diaphragme de contraste, puis de modifier la longueur focale du système optique de projection afin de reconstituer une image du plan focal de l’objectif sur l’écran d’observation du microscope (cf. schéma b de la figure 8). La figure 10 a donne un exemple d’un diagramme de diffraction obtenu à partir d’un échantillon monocristallin. Si la préparation est constituée d’un grand nombre de petits cristaux orientés au hasard, la superposition des diagrammes correspondant à chaque cristallite conduit à un diagramme composé d’une série d’anneaux (fig. 10 b).

Les intensités des faisceaux diffractés et du faisceau transmis, proportionnelles au carré de l’amplitude des ondes associées, sont couplées entre elles et varient en fonction de l’épaisseur de l’échantillon, du pouvoir diffuseur des atomes et de l’écart à l’angle de Bragg du cristal.

Le contraste des images dépend du mode opératoire. Lorsque le diaphragme situé dans le plan focal de l’objectif ne laisse passer que le seul faisceau transmis dans la direction du faisceau incident, le contraste de l’image, qui résulte de la variation de l’amplitude des ondes diffractées, est très sensible à une variation locale de l’orientation du réseau cristallographique. L’intensité du faisceau transmis varie donc d’un point à l’autre de la surface de l’échantillon. Ainsi, au moyen de ce contraste d’amplitude , on peut observer les dislocations et les petits précipités grâce, en particulier, au champ de contrainte qui les entoure (fig. 11 a); les défauts plans (défaut d’empilement, joints de grains, interfaces entre deux phases) sont aussi observables en contraste d’amplitude (fig. 11 b). Dans ce cas, le décalage des réseaux cristallographiques, de part et d’autre du défaut, introduit un déphasage dans les ondes, qui se manifeste sur l’image sous la forme de franges dans les zones correspondant à la projection du défaut sur le plan de l’image. La périodicité et l’intensité de ces franges renseignent sur la nature cristallographique du défaut.

Si on laisse passer à l’aide du diaphragme de contraste, au lieu du faisceau transmis, un des faisceaux diffractés, on forme alors une image en fond sombre. Cette technique permet d’obtenir une caractérisation plus complète des différents types d’imperfections cristallines présents dans le matériau étudié. Les images en fond sombre obtenues à l’aide d’un des faisceaux diffractés par les particules de seconde phase sont particulièrement utiles pour la mise en évidence des précipités et la mesure de leurs dimensions (fig. 12).

Il est aussi possible d’obtenir des images en laissant passer simultanément par le diaphragme de contraste le faisceau transmis et un ou plusieurs faisceaux diffractés. L’interférence entre les ondes associées conduit à un contraste appelé contraste de phase . Les figures d’interférence qui en résultent sont utilisées pour la mise en évidence des plans atomiques du cristal ou même des rangées d’atomes parallèles au faisceau incident (fig. 13).

Les diagrammes de diffraction formés dans le plan focal permettent d’obtenir des renseignements concernant la structure cristallographique des échantillons et les relations d’orientation entre les différentes phases présentes. Lorsque l’échantillon est éclairé par un faisceau incident parallèle, les figures de diffraction peuvent être obtenues à partir d’une aire minimale ayant de 0,5 à 1 nm de diamètre, sélectionnée à l’aide d’un diaphragme placé dans le plan de la première image intermédiaire conjugué avec le plan de l’échantillon. Pour obtenir des diagrammes de diffraction à partir de zones encore plus petites, il faut focaliser le faisceau en un point dans le plan de l’échantillon. Le système d’éclairage des microscopes ayant un dispositif de balayage permet de réduire les dimensions de la sonde ainsi focalisée jusqu’à un diamètre de l’ordre de 1 nm tout en conservant un courant électronique élevé grâce au grand angle d’ouverture du faisceau. Cette possibilité a ouvert la voie à l’emploi courant de la technique de diffraction à faisceau convergent, dont la géométrie est illustrée sur la figure 14 a. En raison du grand angle d’ouverture du faisceau, les taches de diffraction ponctuelles des diagrammes à faisceau parallèle sont élargies en forme de disques. Le cliché de la figure 14 b donne un exemple de ce type de diagramme et on remarquera en particulier la structure fine de l’intérieur des disques. L’information portée sur ces diagrammes est particulièrement riche et conduit à de nombreuses applications, parmi lesquelles on peut citer:

– la détermination de l’épaisseur de la lame mince et du potentiel cristallin;

– la mesure très précise de variations locales du paramètre cristallographique;

– l’identification des groupes de symétrie des différents constituants de l’échantillon.

La microanalyse sur échantillons minces permet d’analyser un très petit volume de matière défini, de prime abord, par le diamètre de la sonde électronique focalisée sur la surface de l’échantillon et par l’épaisseur de celui-ci. Même en tenant compte de la diffusion latérale des électrons à l’intérieur de la lame, le volume analysé peut être limité à une valeur de 10-3 猪m3. La spectrométrie X dispersive en énergie et la spectrométrie des pertes d’énergie des électrons transmis sont les deux principales techniques de microanalyse utilisées en microscopie électronique en transmission.

Le principe et la pratique de la spectrométrie X à sélection en énergie en microscopie électronique en transmission sont identiques à ceux qui sont décrits dans le cas de la microscopie électronique à balayage sur échantillon massif (cf. chap. 1). Il faut tout au plus utiliser un calcul adapté aux conditions géométriques particulières des lames minces pour déterminer quantitativement la composition chimique à partir des mesures brutes de l’intensité des raies caractéristiques des espèces atomiques en présence.

La technique de spectrométrie des pertes d’énergie des électrons transmis repose sur le phénomène suivant: lorsqu’un électron incident provoque une ionisation de l’un des atomes de l’échantillon, il subit une perte d’énergie cinétique égale à la somme de l’énergie d’ionisation et de l’énergie cinétique transférée à l’électron éjecté de l’atome. Puisque les énergies d’ionisation des différentes couches électroniques d’un atome sont caractéristiques de l’espèce chimique, la mesure de l’énergie des électrons transmis permet de connaître la composition chimique de l’échantillon traversé par le faisceau incident. Le spectromètre à pertes d’énergie est réalisé le plus souvent à l’aide d’un secteur magnétique placé sur la trajectoire des électrons transmis (fig. 15 a). Ce secteur magnétique joue le rôle d’un prisme dispersif: la trajectoire des électrons est déviée d’un angle proportionnel à la vitesse de la particule et donc à son énergie cinétique. En faisant varier progressivement le champ magnétique, on balaye le faisceau dispersé devant un détecteur en aval du plan focal du prisme. Le nombre d’électrons arrivant sur le compteur est enregistré séquentiellement dans un analyseur multicanal en fonction de la perte d’énergie (de zéro à quelques centaines d’eV) et le spectre ainsi acquis est visualisé sur un écran vidéo. La figure 15 b montre schématiquement la forme du spectre au voisinage des discontinuités correspondant à des pertes d’énergie caractéristiques de deux espèces chimiques A et B. Des calculs appropriés permettent de convertir les aires sous les pics en concentration chimique.

La spectrométrie des pertes d’énergie permet de doser pratiquement tous les éléments à partir du lithium (Z = 3). Une restriction est toutefois imposée sur l’épaisseur de l’échantillon car, au-delà d’une certaine valeur (qui dépend de la nature du matériau étudié), les interactions multiples entre les électrons et la cible conduisent à une dégradation du spectre.

Microscopie électronique en transmission à balayage

Le schéma de fonctionnement du microscope électronique à balayage en transmission est analogue à celui du microscope électronique à balayage sur échantillon massif, sauf que ce sont les électrons transmis qui constituent le signal utilisé pour la formation de l’image sur l’écran du tube cathodique. Le détecteur est placé dans un plan conjugué avec le plan focal de l’objectif. Dans le cas d’un appareil hybride capable de fonctionner aussi en mode transmission, il s’agit d’un plan situé en aval des lentilles de projection. Il existe également des appareils spécialisés, sans lentilles de projection et, dans ce cas, le détecteur est situé à la sortie de la lentille objective.

En réglant convenablement l’angle de collection des électrons transmis, le contraste des images obtenues par balayage en transmission est analogue à celui des images formées en transmission conventionnelle. En revanche, le pouvoir de résolution dépend directement du diamètre du faisceau incident focalisé sur la surface de l’échantillon et, indirectement, de l’intensité du courant électronique dans ce faisceau. Le développement récent de sources d’électrons à brillance élevée (canon à effet de champ) a permis d’atteindre un pouvoir de résolution inférieur à 0,5 nm et donc proche de celui du microscope conventionnel (de 0,1 à 0,2 nm).

Les techniques de diffraction électronique et de microanalyse associées à la microscopie électronique en transmission à balayage sont également analogues à celles de la microscopie conventionnelle.

Informatique en microscopie électronique

Pendant longtemps, l’emploi des miniordinateurs en temps réel a été surtout réservé à l’acquisition et au traitement des spectres pour la microanalyse. Des techniques sophistiquées pour l’enregistrement numérique et le traitement des images ont été mises au point en vue d’améliorer la qualité des informations recueillies. L’ordinateur permet par ailleurs l’exploitation en temps réel des données portées sur les diagrammes de diffraction, ce qui permet de modifier intelligemment la stratégie de l’expérience en cours, soit pour optimiser les conditions d’obtention des images, soit pour mieux interpréter l’aspect physique ou métallurgique à l’origine du problème posé.

Applications

Grâce à la microscopie électronique, souvent associée à la spectrométrie X, la science des matériaux a fait des progrès considérables. Dans le domaine métallurgique, cette technique conduit à une connaissance chaque jour plus approfondie de la structure micrographique et cristallographique des métaux et alliages. On peut visualiser à l’échelle submicroscopique, identifier et analyser les constituants d’un alliage; on sait observer et étudier les imperfections du réseau cristallin: l’échelle atomique est devenue accessible. La microscopie électronique a largement contribué à une meilleure compréhension des mécanismes qui affectent la structure des métaux et qui régissent leur comportement en service – précipitation, durcissement, déformation plastique à chaud et à froid, fatigue et rupture. Les lois d’endommagement ont pu être mieux précisées.

Toutes ces possibilités d’examen et d’analyse ont permis de répondre à la préoccupation fondamentale de la métallurgie physique, qui est d’établir des relations entre propriétés et microstructures, et d’agir de façon réfléchie au niveau de la composition chimique et des conditions de traitements thermiques, mécaniques, thermomécaniques ou thermochimiques afin d’améliorer les propriétés de ces matériaux.

Encyclopédie Universelle. 2012.