​Pierre-Henri Jouneau connaît la machine pour l’avoir poussé jusque dans ses derniers retranchements. C’est un outil de base pour les échantillons secs et conducteurs de l’électricité.

Impression de relief

Bombarder la matière avec des électrons et il se produit une série de réactions : déflexion des électrons primaires, production d’électrons secondaires arrachés à l’échantillon, production de rayons X.

Nanofils de silicium. La gouttelette d’or qui les surmonte est le catalyseur qui a permis leur croissance sur le substrat de silicium. La taille des gouttes détermine leur diamètre. Il est possible de les répartir avec précision. © CEA/DSM/DRFMC - CEA/DRT/ Leti/DOPT

---

SEM : Scanning Electron Microscopy

Ces phénomènes ne vont pas servir à former directement une image de l’objet comme c’est le cas pour les rayons lumineux dans les microscopes optiques. Ici, c’est le balayage point par point de la surface par le faisceau électronique qui donne des informations.

En chacun d’eux, l’instrument mesure le nombre des électrons rétro diffusés, celui des électrons secondaires captés ou les longueurs d’onde des rayons X produits. La collecte va varier selon l’angle que forment les trajectoires de ces particules ou les rayons X avec la direction du faisceau, d’où l’impression de relief.

Un principe d’optique

Les éléments d’un microscope électronique à balayage restent presque inchangés depuis les machines des années 1960.

Avant d’être accélérés par un champ électrique, les électrons, particules portant une charge négative, sont extraits d’un filament chauffé (effet thermoïonique) ou d’une pointe portée à un très haut potentiel négatif (émission de champ). Dans ce dernier cas, ils s’échappent tous d’une zone quasi ponctuelle, là où le champ électrique voit son intensité multipliée par « l’effet de pointe ». Une anode (+) percée d’un trou produit le champ accélérateur de ce canon à électrons.
Ces particules sont ensuite focalisées par des bobines magnétiques (condensateurs).

Deux étages de condensateurs permettent d’homogénéiser le faisceau en énergie avant d’entrer dans les champs perpendiculaires et alternatifs de deux bobines magnétiques produisant le balayage sur un carré de surface.
Plus ce carré est petit, plus fort est l’agrandissement du microscope.

Plus la zone de l’échantillon balayée est petite, plus on va faire une image à fort grandissement, jusqu’à 400 000 fois.

Former l’image

Les atomes de la surface sont bousculés par cette pluie d’électrons. Soit l’électron rebondit sur l’atome comme une bille sur un ballon (électron rétro diffusé), soit il excite l’atome en perturbant son nuage électronique. Dans ce dernier cas l’atome se désexcite en rejetant un électron. Lorsque celui-ci se retrouve à l’extérieur du matériau, c’est un « électron secondaire » qui est moins rapide et qui peut donc être capté à l’aide d’une sonde portée à un potentiel faiblement positif.

La quantité de ces électrons secondaires ne dépend que de l’angle d’incidence du faisceau : plus elle est rasante, plus le volume excité est grand, donc plus la production est importante. D’où l’effet de contraste topographique : les pentes bien orientées par rapport au détecteur paraissent plus lumineuses alors que celles qui envoient leurs électrons secondaires du côté opposé à celui du détecteur paraissent sombres.

Le diamètre de cette zone de réémission donne la résolution du microscope, au minimum, celui du diamètre du faisceau : 10 nm.

En revanche, les électrons rétro diffusés proviennent d’un volume plus important : les électrons primaires traversent plusieurs couches atomiques avant de rebondir. Cette fois, la nature chimique du matériau influence leur nombre car plus l’atome est lourd, plus grand est son nombre de charges et plus difficile est l’absorption de l’électron. La définition est donc plus faible (100 nm), mais le contraste est chimique.

Vers une caractérisation chimique

Un écran disposé de façon à recueillir ces électrons rétro diffusés sur un plan particulier donnera une image de diffraction plus ou moins géométrique qui donne la distance entre les plans atomiques.

Les rayons X émis par les atomes portent une information chimique : le spectre de leurs longueurs d’onde comporte des raies brillantes et sombres qui forment comme un « code barre » permettant de reconnaître la présence de certains atomes.