| Microscopes électroniques, acoustiques et autres |
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De la microscopie électronique...
La microscopie électronique (ME) emploie la propagation des électrons auxquels est associée une longueur d’onde beaucoup plus courte que celle de la lumière. Les électrons impressionnant la plaque photographique ou excitant la fluorescence, il est donc possible de recueillir des images agrandies formées avec ces corpuscules, à condition de les produire, de les propager, de pouvoir rassembler en un même point du récepteur tous les électrons issus d’un même point de l’objet, ce qui impose l’emploi d’optiques électroniques. De telles optiques présentent une certaine analogie avec les lentilles utilisées avec la lumière. En effet, soit un électron de charge élémentaire e et de masse m se propageant à la vitesse v1 dans un milieu où le potentiel électrique vaut -V1, donc d’énergie cinétique :
 Fig. 1 - Trajet suivi par un électron |
Mais entre les surfaces S1 et S2, le champ électrique leur étant perpendiculaire, la composante de vitesse parallèle aux surfaces équipotentielles ne varie pas. Ainsi :
Compte tenu de l’expression de l’énergie cinétique, cette relation peut s’écrire :
ce qui est une loi de Descartes où  est assimilable à un indice de réfraction.
Puisque mv = h/? et que la vitesse v varie comme, ? varie comme , de même qu’en optique, pour une onde de fréquence donnée, la longueur d’onde varie comme l’inverse de l’indice de réfraction. Ainsi, les trajectoires d’électrons réfractés peuvent être construites, comme en optique, par application du principe de Huygens.
Les surfaces équipotentielles, perpendiculaires aux lignes de force, sont donc, pour les électrons, analogues aux dioptres pour la lumière. Il est alors possible de concevoir des lentilles électrostatiques (fig. 2), pourvu que, à la manière des dioptres des lentilles optiques, leur conception soit telle qu’elles engendrent des surfaces équipotentielles courbes.
 Fig. 2 - Lentille électrostatique |
Il existe également des lentilles magnétiques qui, d’ailleurs, équipent les microscopes électroniques actuels dont le schéma (fig. 3) est parfaitement analogue à celui du microscope optique.
Les particules sont émises, par effet thermoélectronique, par un canon à électrons, filament de tungstène à une température de l’ordre de 2 000 °C. Par rapport à une anode, ce filament est porté à une tension négative de 100 à 200 kV pour les microscopes courants, et jusqu’à 3 MV pour des instruments assez rares. Ce potentiel accélérateur définit l’énergie des électrons émis, c’est-à-dire leur vitesse ou leur longueur d’onde associée (de 40 à 25.10-4 nm pour les instruments courants). Une première lentille magnétique, le condenseur, éclaire l’échantillon placé dans la chambre objet. Un porte-objet permet son déplacement dans son plan et son orientation. Une seconde lentille magnétique de courte distance focale (de l’ordre du millimètre), l’objectif, donne une première image de l’objet, agrandie quelques dizaines de fois. Enfin, une lentille de projection fournit l’image définitive, au grandissement de l’ordre de 10 000, sur un écran fluorescent observable visuellement, l'écran pouvant être le miroir de renvoi dans la direction d'observation, ou sur une plaque photographique. L'ensemble de ces éléments est enfermé dans une enceinte étanche où règne une pression résiduelle au plus de l’ordre de 10-3 Pa.
Quoique la longueur d’onde utilisée soit dix à vingt mille fois plus petite que celles que met en œuvre le microscope optique, la résolution du microscope électronique n’est pas améliorée dans le même rapport. Elle est en effet limitée par l’importance des aberrations chromatiques et géométriques des lentilles que, pour cette raison, il est hasardeux de multiplier, par la faible valeur de l’angle d’ouverture, de l’ordre du demi-degré, et également par des impératifs mécaniques. Dans les meilleurs des cas, on se contente d’une amélioration d’un facteur mille par rapport à l’optique, soit une limite de résolution de l’ordre de 20 nm.
 Fig. 3 - Schéma des éléments composants un microscope électronique |
... à la microscopie électronique à balayage
Les microscopes électroniques à balayage ne fournissent pas comme les microscopes électroniques une image simultanée de l’ensemble du champ, mais ils la forment point par point en le balayant par un pinceau d’électrons très fin. Pratiquement en microscopie par transmission (fig. 4), un objectif forme sur l’objet une image très fine (de l’ordre de 0,2 nm) du faisceau d’électrons. Des bobines déflectrices assurent la déviation périodique du faisceau dans deux directions perpendiculaires pour que ce spot électronique balaie la partie observée de l’objet. Les électrons transmis, soumis à l’action de nouvelles bobines déflectrices, sont orientés vers un multiplicateur d’électrons ou une surface photosensible émettrice de photons transmis par un guide d’onde à un photomultiplicateur. L’intensité du signal de ce récepteur est adressée à un moniteur à balayage synchrone de celui du faisceau d’électrons.
Ce type d’instrument est plus répandu dans sa version travaillant en microscopie par réflexion (fig. 5).
 Schéma d’un microscope électronique à balayage suivant son mode de fonctionnement |
Les images produites sont en fait formées par les électrons secondaires émis par l’objet au cours de son bombardement par le faisceau d’électrons incidents. Il est aussi possible de recueillir d’autres types d’information et de former des images dues à la rétrodiffusion des électrons dans une direction donnée ou à leur absorption, de même que d’analyser le rayonnement X émis par l’échantillon ou de détecter le rayonnement photonique ou infrarouge émis par l’échantillon bombardé par le faisceau d’électrons.
La tension d’accélération des électrons incidents est réglable – entre 100 V et 30 kV environ – pour répondre aux différents types d’analyse. La résolution est donc variable. Dépendant de la tension d’accélération régissant la longueur d’onde associée aux électrons et de la faible ouverture du faisceau qui détermine le diamètre du spot, à forte tension, elle est aussi perturbée par les électrons rétrodiffusés. Sa valeur optimale est de l’ordre de 20 nm pour des tensions comprises entre 1 et 10 kV.
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