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RÉSUMÉ
La microscopie électronique à balayage MEB, est une technique puissante d'observation de la surface des échantillons. Elle peut mettre en valeur la topographie des surfaces non polies. Cette technique est fondée principalement sur la détection des électrons secondaires émergents de la surface sous l'impact d'un très fin faisceau d'électrons primaires qui balaye la surface observée. Elle permet d'obtenir des images ayant une résolution spatiale souvent inférieur à 5 nm et une grande profondeur de champ comparée à des images obtenues par microscopie optique. Les différentes parties de l'instrument seront décrites dans les pages suivantes : les sources d'électrons, la colonne électronique et les détecteurs les plus courants.
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Lire l’articleAuteur(s)
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François Brisset : Ingénieur de recherche CNRS - Université Paris Saclay/CNRS, ICMMO, Orsay
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Jacky Ruste : Précédemment ingénieur sénior à EDF Les Renardières, Moret-sur-Loing
INTRODUCTION
La microscopie électronique à balayage MEB (ou Scanning Electron Microscopy, SEM) est une technique puissante d’observation des échantillons et en particulier de la topographie des surfaces. Elle est fondée principalement sur la détection des électrons secondaires émergents de la surface sous l’impact d’un très fin faisceau d’électrons primaires qui balaye la surface d’un échantillon et permet d’obtenir des images avec un pouvoir séparateur souvent inférieur à 5 nm, et une grande profondeur de champ.
Le MEB peut aussi utiliser, en complément de l’émission électronique secondaire, d’autres signaux émis par les interactions entre les électrons primaires et l’échantillon : les électrons rétrodiffusés, la diffraction des électrons rétrodiffusés, les électrons absorbés, les électrons transmis au travers d’une lame mince, ainsi que l’émission de photons X, parfois celle de photons proches du visible, etc. Ces interactions sont souvent significatives de la topographie ou de la composition de la surface, ou encore de l’orientation cristalline locale.
L’instrument permet de former un faisceau, très fin (jusqu’au nanomètre), d’électrons accélérés par des tensions réglables de 0,01 à 30 kV, de le focaliser et de le balayer sur la zone de l’échantillon à examiner. Des détecteurs appropriés, détecteurs d’électrons spécifiques (secondaires, rétrodiffusés, etc.), complétés par des détecteurs de photons, ou d’autres, permettent de recueillir des signaux significatifs émis lors du balayage de la surface, et d’en former diverses images alors synchronisées avec le balayage.
Le présent article rappelle la constitution de l’instrument, et les interactions électrons-matière sources d’imagerie. L’article [P 866] précise la formation des images, les sources de contraste, les récents développements de l’instrument, et les diverses applications.
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MOTS-CLÉS
matériaux Imagerie microscopie électronique Electrons et photons Canon à électrons Colonne
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1986 par Claude LE GRESSUS
- Version archivée 2 de mars 2006 par Henri PAQUETON, Jacky RUSTE
- Version archivée 3 de mars 2013 par Jacky RUSTE
DOI (Digital Object Identifier)
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2. Rappels sur les interactions électrons-matière
2.1 Interactions électrons-matière
Lorsqu’un faisceau électronique d’énergie
pénètre dans un échantillon solide, il subit un certain nombre d’interactions, élastiques et inélastiques :
-
les interactions inélastiques provoquent une perte progressive de son énergie :
-
pour une part, par transfert aux électrons des orbitales atomiques,
-
pour une moindre part, par perte radiative ;
-
-
les interactions élastiques, principalement avec le noyau, induisent des variations plus ou moins brusques de la direction des électrons incidents. La résultante de ces interactions induit pour chaque électron une « trajectoire électronique », de longueur et de forme aléatoires.
Par simulation numérique, suivant une méthode de Monte Carlo qui modélise les chocs aléatoires de l’électron incident avec les atomes de la cible, on peut calculer et visualiser des exemples de ces trajectoires (figure 2).
HAUT DE PAGE2.2 Principales émissions
Les interactions conduisent globalement, comme le schématise la figure 3, aux émissions suivantes :
-
une émission électronique rétrodiffusée, constituée d’électrons primaires qui, après avoir subi un certain nombre de chocs, élastiques avec les noyaux atomiques, et inélastiques avec les électrons orbitaux, retrouvent la surface et ressortent de la cible (avec une énergie plus ou moins proche de
) (images en contraste de Z, cristallographique, voire magnétique) ;
-
une émission électronique secondaire, de faible énergie (typiquement de l’ordre de quelques 10 eV) : celle-ci résulte, soit de l’émergence...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HEINRICH (K.), HEINRICH (J.) - X-rays optics and microanalysis. - Édts CASTAING (R.), DESCHAMPS (R.) et PHILIBERT (J.), Hermann Paris, p. 159 (1966).
-
(2) - ARNAL (F.), VERDIER (P.), VINCINSINI (P.D.) - Coefficient de rétrodiffusion dans de cas d’électrons monocinétiques arrivant sur la cible sous une incidence oblique. - CR acad. Sci., Paris, 268, p. 1526 (1969).
-
(3) - CASTAING (R.) - Advances in electronics and electron physics. - Edts MASSON (C.), NY, Academic Press, p. 317 (1960).
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(4) - EVERHART (I.F.), THORNLEY (R.F.M.) - Wide band detector for micro-ampere low energy electrons currents. - J. Sci. Inst., st, 37, p. 246-248 (1960).
-
(5) - COLLIEX (C.) - La microscopie électronique. - PUF, Que Sais-Je ? 1045 (1998).
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(6) - MAGNAN...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Analyse par microfaisceau – microscopie électronique à balayage - ISO TC202 -
-
Terminologie - TC202/SC1 -
-
Microanalyse par sonde à électrons - TC202/SC2 -
-
Microscopie analytique à électrons - TC202/SC3 -
-
Microscopie électronique à balayage - TC202/SC4 -
1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
GNMEBA : Groupement National de Microscopie Électronique à Balayage et microAnalyses, Ouvrages du groupement disponibles chez EDP Sciences, collection GN-MEBA
Sfmu : Société française des microscopies (plus spécifique à la microscopie électronique en transmission)
SFP : Société Française de Physique
EMAS : European Microbeam Analysis Society
CAZAC : groupe d’utilisateurs Zeiss
CMJ : groupe d’utilisateurs Jeol
GATE : groupe d’utilisateurs Gatan-EDAX
SEMPA : groupe d’utilisateurs FEI
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