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Microscopie électronique

Nanomatériaux sous un microscope électronique - Image de microscopie électronique en transmission (MET, ou TEM pour transmission electron microcrospy) de haute résolution et diffraction électronique en aire sélectionnée (SAED pour selected area electron diffraction) de nanoparticules de Fe3O4 en forme de tétraèdres.

La microscopie électronique est une technique qui permet d'obtenir des images à ultra-haute résolution d'atomes individuels de matériaux et de structures internes de cellules. Les images de micro et méso-structures ou au niveau atomique ainsi obtenues peuvent servir à étudier les propriétés et le comportement d'un échantillon. Cette technique est utilisée en science des matériaux, en recherche biomédicale, dans le contrôle qualité et dans l'analyse des défaillances. L'utilisation d'électrons comme source de rayonnement pour l'imagerie procure une plus grande résolution spatiale (de l'ordre de plusieurs dizaines de picomètres) que l'utilisation de photons en microscopie optique (~200 nanomètres). Outre la topographie de surface, la microscopie électronique permet d'obtenir des informations sur la structure cristalline, la composition chimique et les propriétés électriques. La microscopie électronique peut être divisée en deux grandes catégories : la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique en transmission (MET).


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La microscopie électronique à balayage (MEB) utilise un faisceau d'électrons de faible énergie pour imager l'échantillon et interagir avec lui. Des détecteurs d'électrons identifient les électrons secondaires à la surface et les électrons rétrodiffusés dans les zones plus profondes. Les électrons secondaires sont générés suite aux interactions inélastiques entre le faisceau d'électrons et les atomes de l'échantillon. Les électrons rétrodiffusés sont produits après interaction élastique entre le faisceau d'électrons et l'échantillon. La MEB nécessite peu de préparation des échantillons, voire aucune, et est beaucoup plus rapide et nettement moins contraignante que d'autres types de microscopie électronique. Les gros échantillons (~200 millimètres) peuvent être visualisés directement après montage sur un support ou une base. La MEB emploie généralement la spectroscopie X à dispersion d'énergie (EDS ou EDX) pour cartographier la distribution des éléments au sein de l'échantillon. Un courant induit par un faisceau d'électrons (EBIC, electron beam-induced current) et la cathodoluminescence sont d'autres méthodes qui permettent d'analyser les images de haute qualité et les propriétés optoélectroniques des échantillons.

La microscopie électronique en transmission (MET) utilise un faisceau d'électrons à haute énergie pour transmettre des électrons au travers d'un échantillon, afin de créer une image en 2D de la plus haute résolution possible. Les nanomatériaux peuvent être analysés par MET pour révéler leur structure et des informations sur leur composition à l'échelle atomique. Il est vital de choisir le bon support d'échantillon (grille de MET) pour différents types de nanomatériaux afin d'obtenir les informations les plus détaillées possibles. Lorsque les échantillons sont trop épais, ils doivent d'abord être suffisamment affinés, idéalement jusqu'à une épaisseur inférieure ou égale à 100 nanomètres, pour que les électrons puissent passer au travers. Ces échantillons pour MET sont ensuite montés sur une grille et étudiés dans des conditions d'ultravide avec un faisceau d'électrons focalisé intense. La MET utilise la diffraction électronique en aire sélectionnée (SAD pour selected area diffraction) au sein de l'échantillon pour fournir des informations cristallographiques sur le matériau constituant l'échantillon. La spectroscopie de perte d'énergie d'électrons (EELS, electron energy loss spectroscopy) et la spectroscopie X à dispersion d'énergie (EDX) sont des méthodes d'analyse qui permettent de mesurer la composition atomique, les liaisons chimiques, les propriétés électroniques et l'épaisseur locale d'un matériau.

La microscopie électronique en transmission à balayage (METB) balaye un faisceau d'électrons focalisé (avec une taille de spot typique de 0,05-0,2 nm) sur l'échantillon pour obtenir simultanément une imagerie et une cartographie spectroscopique, ce qui permet de corréler directement les informations spatiales avec les données spectroscopiques.




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