vignette|upright=1.5|Principe de fonctionnement du microscope électronique en transmission. vignette|Un microscope électronique en transmission (1976).

La microscopie électronique en transmission (MET, ou TEM pour l'anglais L'acronyme MET (ou TEM) est plus souvent utilisé pour l'instrument (microscope électronique en transmission) que pour la technique (microscopie).) est une technique de microscopie où un faisceau d'électrons est « transmis » à travers un échantillon très mince. Les effets d'interaction entre les électrons et l'échantillon donnent naissance à une image, dont la résolution peut atteindre 0,08 nanomètre (voire ..). Les images obtenues ne sont généralement pas explicites, et doivent être interprétées à l'aide d'un support théorique. L'intérêt principal de ce microscope est de pouvoir combiner cette grande résolution avec les informations de l'espace de Fourier, c'est-à-dire la diffraction. Il est aussi possible d'identifier la composition chimique de l'échantillon en étudiant le rayonnement X provoqué par le faisceau électronique. Contrairement aux microscopes optiques, la résolution n'est pas limitée par la longueur d'onde des électrons, mais par les aberrations dues aux lentilles magnétiques.

Le principe du microscope électronique en transmission a été mis au point en 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska. Ce dernier a d'ailleurs reçu le prix Nobel de physique en 1986 pour cette invention.

Elle consiste à placer un échantillon suffisamment mince sous un faisceau d'électrons, et à utiliser un système de lentilles magnétiques pour projeter l'image électronique de l'échantillon sur un écran phosphorescent qui la transforme en image optique. Pour les échantillons cristallins, un autre mode d'utilisation consiste à visualiser le cliché de diffraction de l'échantillon.

Les applications de la microscopie électronique couvrent un très vaste domaine, de l'observation d'échantillons biologiques, comme le noyau des cellules à l'analyse d'échantillons industriels dans la métallurgie ou l'industrie des semi-conducteurs.

Terminologie Une erreur courante consiste à dire « microscope électronique à transmission », par analogie avec le « microscope électronique à balayage ». Cette erreur est fréquente dans le milieu scientifique et la littérature. Il s'agit bien d'un microscope en transmission car on observe l'échantillon en transparence, en transmission.

Principe Selon la théorie d'Abbe, la résolution maximum qu'il est possible d'obtenir avec un microscope optique dépend de la longueur d'onde des photons et de l'ouverture numérique du système optique. La limite de résolution transverse d'un microscope, c'est-à-dire la plus petite distance en dessous de laquelle deux points voisins ne seront plus distingués, peut être exprimée à l'aide de la longueur d'onde d'illumination , de l'indice de réfraction en sortie d'objectif, et du demi angle du cône de lumière maximum accessible .

où est l'ouverture numérique de l'objectif ( en anglais).

Au début du , l'idée est venue de repousser cette limite imposée par la longueur d'onde relativement élevée de la lumière visible, de 400 à 700 nanomètres en mettant en jeu des électrons dont on savait, d'après la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie, qu'ils possédaient à la fois les propriétés des particules et celle des ondes. Cela suggérait que l'on pouvait traiter un faisceau d'électrons de la même manière qu'un faisceau d'ondes électromagnétiques afin d'obtenir une image de l'échantillon.

Dans un microscope électronique, les électrons accélérés sont générés par un canon à électrons comprenant une source et un champ électrique produit par une différence de potentiel entre la source et une anode, puis focalisés sur un échantillon ultra-mince par des lentilles magnétiques ou électrostatiques. Le faisceau d'électrons interagit avec l'échantillon avec un contraste spatial résultant de différences locales de densité ou de composition chimique. Un détecteur d'électrons (film photographique ou, depuis la fin du , un capteur CCD) permet ensuite d'obtenir une image de l'échantillon, tel qu'il a été « vu » par les électrons transmis.

Le microscope électronique en transmission a deux principaux modes de fonctionnement :

Mode image Le faisceau électronique interagit avec l'échantillon suivant l'épaisseur, la densité ou la nature chimique de celui-ci, ce qui conduit à la formation d'une image contrastée dans le plan image. En plaçant le détecteur dans le plan image, on peut observer l'image par transparence de la zone observée. Mode diffraction Ce mode exploite le comportement ondulatoire des électrons. Lorsque le faisceau traverse un échantillon cristallisé, il est diffracté : l'intensité du faisceau incident est répartie sur quelques faisceaux émis dans des directions bien distinctes (directions d'interférence constructive). Ceux-ci se recombinent pour former l'image, grâce aux lentilles magnétiques.

Histoire

La mise au point de la microscopie électronique est l'aboutissement de progrès scientifiques initiés au milieu du . Avant même que l'existence des électrons soit démontrée, des expériences sur les rayons cathodiques avaient déjà été menées par les physiciens Plücker, Hittorf, Birkeland, Braun, Wiechert ou encore Riecke. Les travaux de J.J. Thomson sur les tubes cathodiques et ceux de Hans Busch sur l'optique électronique sont les contributions majeures qui permettront à Max Knoll et son étudiant Ernst Ruska de construire le premier microscope électronique. Les études de Busch ont montré qu'il est possible de focaliser les électrons dans une région précise de l'espace, à l'aide de champs électromagnétiques.

En 1928, Adolf Matthias, professeur à l'Université technique de Berlin charge Max Knoll de former une équipe pour effectuer des recherches sur l'oscilloscope à tube cathodique. Le groupe est constitué d'étudiants et de doctorants, dont Ernst Ruska et Bodo von Borries Ainsi, les premiers microscopes furent construits en 1931, par l'équipe de Knoll avec un grossissement d'environ 100. L'un avait deux lentilles magnétiques, l'autre deux lentilles électrostatiques. L'hypothèse de De Broglie vint appuyer l'idée que la microscopie électronique pourrait avoir une plus grande résolution par rapport à la microscopie photonique, étant donné que la longueur d'onde ne serait plus le facteur limitant. En 1933, ils construisirent un microscope ayant une plus grande résolution que celle d'un microscope optique.

Afin d'obtenir des financements supplémentaires, von Borries, Ernst Ruska et son frère Helmut cherchèrent à développer la microscopie électronique industriellement. À la suite de discussion avec les entreprises Carl Zeiss et Siemens, cette dernière fut choisie et le développement commença en 1937. À partir de 1939, les premiers microscopes furent fabriqués en série par Siemens.

La microscopie électronique a aussi été l'objet de développements dans d'autres groupes de recherche. À l'Université de Toronto, Albert Prebus et James Hillier ont construit le premier microscope nord-américain en 1938. Le groupe de travail d'Ernst Brüche de l'institut de recherche de AEG a aussi participé au développement de la microscopie électronique.

À la fin de la Seconde Guerre mondiale, les microscopes électroniques se développent de manière importante et sont principalement fabriqués par les entreprises européennes, comme Zeiss, Philips (depuis fusionné avec FEI) et japonaises, comme JEOL, Hitachi.

En 1998, un correcteur d'aberration a été mis au point par une collaboration entre Harald Rose, Maximilian Haider, Knut Urban et Johannes Buchmann. Ce correcteur permet de modifier le facteur caractérisant l'aberration sphérique et d'améliorer ainsi la résolution du microscope. Ce correcteur fabriqué par CEOS Gmbh et monté dans les microscope de Zeiss, JEOL et FEI permet d'obtenir une résolution spatiale inférieure à l’angström . Un projet de recherche est en cours pour tenter de fabriquer un microscope atteignant une résolution de .

En 2026 apparaissent des MET pouvant fonctionner à ultra-basse température () pendant plus de trente heures, ce qui annule presque les mouvements des atomes et réduit considérablement les dommages causés aux biomolécules par le faisceau électronique, permettant une résolution inégalée..

Description de l'instrument Éléments constitutifs

Un microscope électronique en transmission est composé des principaux éléments suivants : d'un canon à électrons, qui fournit le faisceau électronique ; de lentilles magnétiques ; d'un système de détecteurs d'électrons.

Ces éléments sont placés dans un vide variant de pour le détecteur CCD à pour la source d'électrons. Le microscope peut être équipé d'un détecteur de rayons X pour effectuer des analyses dispersives en énergie (EDXS, pour ).

Autour du microscope se situe un réservoir d'azote liquide, qui sert à refroidir une certaine zone près de l'échantillon. De cette manière, les impuretés présentes dans le vide se condensent dans cette zone, et ne contaminent pas l'échantillon. Un second réservoir sert à refroidir le détecteur de rayons X, si le microscope en est équipé.

D'après l'hypothèse de Louis de Broglie dans l'hypothèse relativiste, les électrons possèdent une longueur d'onde donnée par :

où , , et sont respectivement la constante de Planck, la charge, la masse et l'énergie au repos de l'électron. Cette relation donne la longueur d'onde des électrons à partir de la tension d'accélération , chapitre 2 : U (kV) v/c (pm)1000,5483,703000,7761,9710000,9410,87

Canon à électrons

Le faisceau d'électrons est produit au moyen d'un canon à électrons. La stabilité et la brillance ont une importance particulière dans la qualité des mesures effectuées. Le canon doit extraire les électrons d'un matériau puis les accélérer. Il existe plusieurs types de source à électrons : l'émission thermoïonique, avec les filaments de tungstène et pointes d'hexaborure de lanthane ; l'émission par effet de champ ; la source Schottky à émission de champ, de plus en plus employée, qui a un principe de fonctionnement intermédiaire.

Selon les systèmes, le faisceau d'électrons sera plus ou moins cohérent, c'est-à-dire que les électrons seront plus ou moins en phase. Une bonne cohérence permet une meilleure résolution des images.

Un canon à émission thermoïonique consiste en une pointe de métal en forme de V, qui est chauffée à haute température par circulation d'un courant, jusqu'à ce que les électrons présents dans le métal atteignent le travail de sortie. Simultanément une différence de potentiel très importante (entre et généralement) est appliquée. Les électrons qui sont sortis du métal sont accélérés par le potentiel de l'anode en direction de l'échantillon. D'une manière générale le canon à chauffage ne donne pas un faisceau très cohérent. Cela est dû au fait que la vitesse, et donc l'énergie cinétique des électrons émis, suit une distribution gaussienne. Il en découle une aberration chromatique. Il existe des filaments en tungstène, sur d'autres il est ajouté au filament un cristal d'hexaborure de lanthane. Ces derniers sont beaucoup plus chers mais fournissent une meilleure cohérence.

Un canon à émission de champ (en anglais Field Emission Gun ou FEG) est constitué d'une pointe de tungstène cristallin d'environ pour les cold FEG et de pour les FEG Schottky. L'extraction des électrons ne s'effectue pas par chauffage, mais en appliquant un champ électrique intense (≈ et ≈ ). Cette source est caractérisée par une faible variabilité énergétique, et une bonne cohérence. Cependant elle nécessite un vide extrêmement poussé (de l'ordre de ). Dans le cas contraire, la pointe du canon s'oxyde et l'effet d'émission chute drastiquement. Cette exigence en fait des machines très coûteuses et délicates. À signaler que les pointes sont recouvertes d'une couche de ZrO2 qui mouille la pointe et permet de diminuer le travail de sortie des électrons.

Vide