Microscopie électronique à balayage (MEB)

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.

Merci d’avoir regardé !