Microscopie électronique à balayage (MEB)
Source : Laboratoire de Dr. Andrew J. Steckl — Université de Cincinnati
Un microscope électronique à balayage, ou SEM, est un puissant microscope qui…
1. préparation de l’échantillon
- Échantillon de place sur le talon de l’échantillon. Si nécessaire, ruban carbone peut servir pour les coller l’échantillon vers le stub.
- Placer l’échantillon dans un système de pulvérisation d’or. À l’aide d’une pulvérisation mini-gold, bredouiller or pendant 30 s à ~ 70 mTorr pression. Une épaisseur de couche d’or différentes peut être nécessaire en fonction de la géométrie de l’échantillon. Surface plus rugueuse ou poreuse exige un temps plus de pulvérisation.
- Supprimer ébauche du système de pulvérisation d’or.
2. l’échantillon Insertion et démarrage du SEM
- Aérer la chambre de SEM, permettant à la chambre atteindre la pression nominale.
- Ouvrez le compartiment d’échantillon de SEM et sortir de la scène de l’échantillon.
- Insérez le bout de l’échantillon contenant l’échantillon sur la scène. Serrez le talon dans l’endroit.
- Si la distance z ne peut pas être contrôlée par le logiciel, assurez-vous que la scène de l’échantillon avec le talon de l’échantillon a bonne hauteur pour obtenir la meilleure image.
- Mettre la scène de l’échantillon dans la chambre de mesure. Refermer le compartiment de l’échantillon.
- Mettre en marche les pompes et autoriser le système à vide atteint. Le système notifie l’utilisateur lorsque c’est terminé.
- Ouvrez le logiciel SEM. Sélectionner le désiré tension de fonctionnement allant de 1 à 30 kV. Tension de service supérieure donne meilleur contraste de l’image, mais peut produire une résolution plus faible si les accusations s’accumulent dans l’échantillon.
3. capture de l’Image de la SEM
- Lancer « Autofocus » dans le logiciel SEM en cliquant sur l’icône de clé. Cela permettra d’acquérir une image focalisée de l’échantillon à utiliser comme point de départ.
- Assurez-vous que le grossissement est défini sur le niveau de zoom minimal de 50 X.
- Sélectionnez le mode « scan rapide ».
- Ajuster le focus en mode grossier jusqu'à ce qu’un accent rugueux est acquis.
- Ajuster la scène manuellement en utilisant les boutons de l’extérieurs afin que la région d’intérêt n’est visible sur l’écran.
- Augmentez le niveau de grossissement jusqu'à ce que la fonctionnalité désirée est observée. Réglez le bouton de mise au point grossière pour mettre à peu près l’image à ce grossissement. Ensuite, améliorer le focus à l’aide de la molette de mise au point fine pour obtenir une image focalisée sur le niveau d’agrandissement souhaité. Cette étape est répétée chaque fois que le niveau de grossissement est augmenté.
- Une fois le grossissement désiré est atteint, réglez le bouton de mise au point fin pour améliorer la clarté.
- Pour optimiser la clarté de l’image, augmenter le grossissement proche du niveau maximum et ensuite se concentrer l’image à l’aide de la molette de mise au point fine. Si une image claire ne peut être obtenue, ajuster la stigmation en direction de le x et de y. Garder ajuster la mise au point et stigmations jusqu'à obtention de l’image plus claire du niveau de grossissement exagéré.
- Après avoir atteint une qualité d’image de l’échantillon, revenir en arrière pour le niveau d’agrandissement souhaité. L’image peut être pris en appuyant sur le bouton photo en mode « photo de rapide » ou « photo de lente ». Le mode « photo de lente » donne la meilleure qualité et haute résolution de l’image.
4. effectuer des mesures à l’aide du logiciel SEM
- Dans la liste déroulante « Panneaux », sélectionnez « M. Tools ».
- Diverses mesures telles que la longueur, la surface et angle peuvent être mesurées directement dans le logiciel SEM. Pour effectuer une de ces mesures, cliquez sur l’icône souhaitée dans la fenêtre outils M..
- Faites défiler jusqu'à la station de mesure sur l’image de la SEM. Mesures sont effectuées en cliquant sur l’image pour créer des points de référence qui seront analysés par le logiciel. Les points de données mesurées peuvent être insérés directement sur l’image si souhaité par l’utilisateur.
- Des images sont alors enregistrées sur l’ordinateur.
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La microscopie électronique à balayage, ou MEB, est une technique puissante utilisée en chimie et en analyse des matériaux qui utilise un faisceau d’électrons à balayage pour analyser la structure de surface et la composition chimique d’un échantillon.
Les microscopes optiques modernes sont limités par l’interaction des ondes lumineuses visibles avec un objet, appelée diffraction. La plus petite distance résoluble entre deux objets, ou la résolution latérale, varie en fonction de la taille du motif de diffraction par rapport à la taille de l’objet. Par conséquent, les microscopes optiques ont un grossissement maximal allant jusqu’à 1 000 fois et une résolution latérale allant jusqu’à 200 nm dans des situations idéales.
Le MEB n’est pas limité par la diffraction, car il utilise un faisceau d’électrons plutôt que de lumière. Par conséquent, un MEB peut atteindre des grossissements allant jusqu’à un million de X avec une résolution latérale inférieure au nanomètre. De plus, le MEB ne se limite pas à l’imagerie des caractéristiques uniquement dans le plan focal, comme avec la microscopie optique. Ainsi, les objets en dehors du plan focal sont résolus, contrairement à la microscopie optique où ils apparaissent flous. Cela permet d’augmenter jusqu’à 300 fois la profondeur de champ avec le MEB.
Les chimistes utilisent largement le MEB pour analyser la composition de surface, la structure et la forme d’entités à l’échelle nanométrique, telles que les particules de catalyseur.
? Cette vidéo décrit les principes de l’instrument MEB et démontre les bases de la préparation et du fonctionnement des échantillons MEB en laboratoire.
En MEB, les échantillons doivent être conducteurs pour l’imagerie conventionnelle. Les échantillons non conducteurs sont recouverts d’une fine couche de métal, comme de l’or. Des images sont ensuite générées en balayant un faisceau focalisé d’électrons de haute énergie à travers l’échantillon.
Le faisceau d’électrons utilisé dans le MEB est généré par un canon à électrons, équipé d’une cathode à filament de tungstène. Les électrons sont propulsés vers l’anode, dans la direction de l’échantillon, par un champ électrique.
Le faisceau d’électrons est ensuite focalisé sur les lentilles du condenseur et pénètre dans la lentille de l’objectif. La lentille de l’objectif doit être calibrée par l’utilisateur pour focaliser le faisceau d’électrons sur une position fixe sur l’échantillon. Le faisceau focalisé est ensuite balayé par trame sur l’échantillon.
Lorsque les électrons primaires interagissent avec l’échantillon, ils creusent des tunnels à une profondeur qui dépend de l’énergie du faisceau d’électrons. Cette interaction avec la surface se traduit par l’émission d’électrons secondaires et rétrodiffusés, qui sont ensuite mesurés par leurs détecteurs respectifs.
L’intensité du signal des électrons secondaires émis varie en fonction de l’angle de l’échantillon. Les surfaces perpendiculaires au faisceau libèrent moins d’électrons secondaires et apparaissent donc plus sombres. Au bord des surfaces, plus d’électrons sont libérés et la zone apparaît plus lumineuse. Ce phénomène produit des images avec un aspect 3D bien défini, comme le montre ce balayage MEB de l’amiante.
En revanche, les électrons rétrodiffusés sont réfléchis dans la direction opposée du faisceau d’électrons. L’intensité de détection augmente avec l’augmentation du numéro atomique de l’échantillon, ce qui permet d’acquérir des informations sur la composition d’une surface, comme le montre cette image de rétrodiffusion d’inclusions dans le verre.
Maintenant que les principes de l’instrument MEB ont été exposés, le fonctionnement de base d’un MEB sera démontré en laboratoire.
Pour commencer, vaporisez l’échantillon en le plaçant sur un bout d’échantillon. Assurez-vous que l’échantillon est complètement sec et dégazé. Si nécessaire, un ruban de carbone conducteur double face peut être utilisé pour coller l’échantillon au talon. Placez l’échantillon dans un système de pulvérisation. Pulvérisez quelques nanomètres d’or sur l’échantillon. L’épaisseur de la couche d’or variera selon que le revêtement interfère ou non avec la morphologie de l’échantillon.
Retirez l’échantillon du système de pulvérisation. Assurez-vous qu’il y a un pont conducteur entre la surface de l’échantillon et le bout métallique.
Une fois que l’échantillon a été revêtu, il est prêt à être imagé. Pour ce faire, purgez d’abord la chambre d’échantillonnage du MEB et laissez-la atteindre la pression nominale.
Ouvrez le compartiment d’échantillonnage SEM et retirez l’étage d’échantillonnage. Placez le talon sur la platine d’échantillonnage et serrez le talon en place.
Si la distance entre l’objectif et l’échantillon, appelée distance de travail, ne peut pas être contrôlée par le logiciel, assurez-vous que la platine et le talon ont la bonne hauteur pour obtenir une image.
Placez l’étage d’échantillonnage dans la chambre d’échantillonnage et fermez le compartiment.
Allumez les pompes à vide et laissez le système pomper.
Pour commencer l’imagerie, ouvrez le logiciel SEM. Sélectionnez la tension de fonctionnement souhaitée allant de 1 à 30 kV. Avec des matériaux à haute densité, des tensions d’accélération plus élevées doivent être utilisées. Sélectionnez une faible tension d’accélération pour les matériaux à faible densité.
La plupart des logiciels SEM incluent une fonction de mise au point automatique. Cela permettra d’acquérir un focus de l’échantillon à utiliser comme point de départ.
Réglez l’agrandissement sur le niveau de zoom minimum de 50X.
SEM dispose de différents modes de balayage tels que le balayage rapide et le balayage lent. Le mode de balayage plus rapide offre un taux de rafraîchissement plus rapide de l’écran avec une qualité inférieure. Sélectionnez le mode de balayage rapide pour commencer, afin de trouver l’échantillon et de commencer la mise au point grossière.
Ajustez la mise au point du parcours jusqu’à ce que l’image devienne plus nette. Ensuite, ajustez le positionnement de la scène pour que la région d’intérêt soit visible à l’écran.
Tout d’abord, faites la mise au point au grossissement le plus faible à l’aide de la mise au point grossière. Ensuite, augmentez le niveau de grossissement jusqu’à ce que la caractéristique souhaitée soit observée. Ajustez la mise au point du parcours pour faire la mise au point grossière de l’image à ce grossissement. Si nécessaire, ajustez une mise au point grossière lorsque le grossissement augmente.
Ensuite, ajustez la mise au point fine pour améliorer encore l’image. Répétez ces étapes de mise au point chaque fois que le grossissement augmente.
Les distorsions asymétriques du faisceau peuvent provoquer un flou de l’image, appelé astigmatisme, même lorsque l’échantillon est bien focalisé. Pour diminuer cet effet, augmentez le grossissement au niveau maximum et faites la mise au point sur l’image à l’aide de la mise au point fine. Ajustez ensuite la stigmatisation dans les directions x et y pour remodeler le faisceau.
Continuez à ajuster les paramètres de mise au point et de stigmatisation jusqu’à ce que l’image soit aussi nette que possible au niveau de grossissement élevé.
Revenez ensuite au niveau de grossissement souhaité.
L’image MEB peut être acquise en mode « photo lente » ou « photo rapide ». Le mode « photo rapide » crée une image de qualité inférieure, mais est acquise plus rapidement. Le mode « photo lente » crée une image de meilleure qualité, mais peut saturer la surface d’électrons.
Pour mesurer les caractéristiques de l’image capturée, utilisez les outils de mesure du logiciel.
La plupart des instruments incluent des options de mesure telles que la longueur, la surface et l’angle.
Pour déterminer la longueur, sélectionnez la distance à mesurer sur l’image MEB. Cliquez sur l’image pour créer les points de référence qui seront analysés par le logiciel.
Lorsque vous avez terminé, éteignez le SEM conformément aux directives du fabricant.
La microscopie électronique à balayage est utilisée pour imager un large éventail d’échantillons.
Le MEB peut être utilisé pour imager des matériaux complexes et très structurés, tels qu’une membrane en fibre de carbone.
L’échantillon a montré un haut degré de porosité et une structure tridimensionnelle ; une propriété hautement souhaitable pour des applications telles que la catalyse.
Le MEB peut également être utilisé pour imager des échantillons biologiques, tels que des bactéries. Dans cet exemple, les appendices ressemblant à des poils, ou pili, des bactéries intestinales ont été imagés avec SEM.
Helicobacter pylori a été cultivé sur des plaques de gélose au sang, et les bactéries ont été ensemencées sur des lamelles en verre.
Des échantillons entièrement séchés ont été montés et recouverts de 5 nm de palladium-or pour rendre l’échantillon conducteur.
Enfin, l’échantillon a été imagé à l’aide d’un MEB. H. pylori était facilement visible, avec des piles mesurables à l’échelle nanométrique.
Cet exemple décrit comment le tissu cérébral peut être intégré dans une résine stable, puis imagé en trois dimensions à l’aide d’un faisceau d’ions focalisé et d’un MEB.
Tout d’abord, le tissu cérébral a été fixé et intégré dans de la résine. Ensuite, la région d’intérêt identifiée et découpée à l’aide d’un microtome.
L’échantillon a ensuite été inséré dans le microscope électronique à balayage à faisceau d’ions focalisé pour l’imagerie tridimensionnelle. Le faisceau d’ions focalisé a ensuite été utilisé pour éliminer séquentiellement de fines couches de l’échantillon. Chaque couche a été imagée avant d’être retirée à l’aide d’un MEB à rétrodiffusion.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la microscopie électronique à balayage. Vous devez maintenant comprendre les principes de fonctionnement de base du MEB et comment préparer et analyser un échantillon de MEB.
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Q1: Why does SEM provide better resolution than light microscopy?
SEM uses electrons instead of light, avoiding diffraction limitations that restrict light microscopes to 200 nm lateral resolution and 1,000X magnification. Electrons enable SEM to achieve sub-nanometer resolution and magnifications exceeding one million times, making it ideal for analyzing nanoscale structures like catalyst particles.
Q2: What is the purpose of coating non-conductive samples with metal in SEM?
SEM requires samples to be conductive for conventional imaging. Non-conductive samples are coated with a thin metal layer, typically gold, to enable electron conductivity. This conductive coating allows the electron beam to interact properly with the sample surface and generate detectable secondary and backscattered electrons.
Q3: How do secondary and backscattered electrons differ in SEM imaging?
Secondary electrons are emitted from the sample surface and vary in intensity based on surface angle, creating a 3D appearance with darker perpendicular surfaces and brighter edges. Backscattered electrons reflect opposite to the beam direction and increase in intensity with atomic number, enabling compositional analysis of the sample surface.
Q4: What is astigmatism in SEM and how is it corrected?
Astigmatism is asymmetrical beam distortion that causes image blurring even when the sample is well-focused. To correct it, increase magnification to maximum, focus using fine focus, then adjust stigmation controls in both x and y directions to reshape the electron beam until the image is optimally focused.
Q5: How does depth of field in SEM compare to light microscopy?
SEM provides up to 300 times greater depth of field than light microscopy because it is not limited to imaging features only in the focal plane. Objects outside the focal plane are resolved in SEM rather than appearing blurry, enabling clear three-dimensional visualization of complex sample structures.
Q6: What operating parameters should be adjusted when imaging different material densities?
Select accelerating voltage based on material density: higher voltages up to 30 kV for high-density materials and lower voltages starting at 1 kV for low-density materials. The electron beam energy determines penetration depth, so voltage selection directly affects image quality and compositional information obtained from the sample.
Q7: How is SEM used for sample preparation for analytical characterization?
SEM enables detailed imaging of samples prepared for analytical analysis, allowing visualization of surface morphology, porosity, and three-dimensional structure before further characterization. This imaging capability helps verify sample quality and identify regions of interest for subsequent analytical measurements or compositional studies.