La microscopie de force atomique

Le microscope électronique à balayage (MEB)

Pour mieux comprendre le principe de fonctionnement de la MEB il nous semble important de faire une analogie entre la microscopie optique et la microscopie électronique.
En microscopie optique, la lumière visible frappe la surface de l’échantillon et la lumière réfléchie ou transmise est analysée par un détecteur, une caméra ou par l’œil humain. En microcopie électronique le faisceau lumineux est remplacé par un faisceau d’électrons et les photons réémis sont remplacés par tout un s pectre de particules ou d e rayonnement. L’interaction du faisceau d’électrons avec la matière conduit à l’émission d’électrons de différentes énergies et de rayonnements: électrons secondaires, électrons rétrodiffusés, électrons Auger, rayons X et cathodoluminescence (Figure III.1).
Figure III.1: Représentation schématique de l’interaction entre un faisceau d’électrons et la surface d’un échantillon
Emission d’électrons secondaires :
Lors d’un choc entre les électrons primaires du faisceau électronique incident et les atomes de l’échantillon, un électron primaire peut céder une partie de son énergie à un électron peu lié de la bande de conduction de l’atome. ). Les électrons incidents à filament de tungstène sont accélérés sous une tension de 10 000 volts. Cette interaction provoque une ionisation par éjection de l’électron ainsi excité. On appelle électron secondaire cet électron éjecté. Ces électrons possèdent généralement une faible énergie (environ 50 eV). Chaque électron primaire peut créer un ou plusieurs électrons secondaires. De par cette faible énergie, les électrons secondaires sont émis dans les couches superficielles proches de la surface. Les électrons qui peuvent être recueillis par les détecteurs sont souvent émis à u ne profondeur inférieure à 10 nanomètres. Grâce à cette faible énergie cinétique, il est assez facile de les dévier avec une faible différence de potentiel. Étant donné qu’ils proviennent des couches superficielles, les électrons secondaires sont très sensibles aux aspérités de la surface de l’échantillon. La moindre variation va modifier la quantité d’électrons collectés. Ces électrons permettent donc d’obtenir des renseignements sur la topographie de l’échantillon.
Emission d’électrons rétrodiffusés :
Les électrons rétrodiffusés sont des électrons résultant de l’interaction des électrons du faisceau primaire avec des noyaux d’atomes de l’échantillon et qui ont réagi de façon quasi élastique avec les atomes de l’échantillon. Les électrons sont réémis dans une direction proche de leur direction d’origine avec une faible perte d’énergie. Ces électrons récupérés ont donc une énergie relativement élevée, allant jusqu’à 30 KeV, et beaucoup plus importante que celle des électrons secondaires. Ils peuvent être émis à une plus grande profondeur dans l’échantillon.
De plus, ces électrons sont sensibles au numéro atomique des atomes constituant l’échantillon. Les atomes les plus lourds (ceux ayant un nombre important de protons) réémettront plus d’électrons que les atomes plus légers. Cette particularité sera utilisée pour l’analyse en électrons rétrodiffusés. Les zones formées d’atomes avec un nombre atomique élevé apparaîtront plus brillante que d’autres. Cette méthode permettra de mesurer l’homogénéité chimique d’un échantillon et permettra une analyse qualitative et même quantitative de la composition chimique d’un échantillon.
Emission d’électrons Auger :
Lorsqu’un atome est bombardé par un électron primaire, un électron d’une couche profonde peut être éjecté et l’atome entre dans un état excité. La désexcitation peut se produire de deux façons différentes: en émettant un photon X (transition radiative) ou en émettant un électron Auger (effet Auger). Lors de la désexcitation, un électron d’une couche supérieure vient combler la lacune créée par l’électron initialement éjecté. Durant cette transition, l’électron périphérique perd une certaine quantité d’énergie qui peut être émise sous forme de photon X ou peut alors être transmise à un électron d’une orbite plus externe et donc moins énergétique. Cet électron périphérique se retrouve à son tour éjecté et peut être récupéré par un détecteur. Les électrons Auger possèdent une très faible énergie et sont caractéristiques de l’atome qui les a émis. Ils permettent ainsi d’obtenir des informations sur la composition de l’échantillon et plus particulièrement de la surface de l’échantillon.
Emission de rayons X
L’impact d’un électron primaire à haute énergie peut ioniser un atome à une couche interne. La désexcitation, le remplissage de l’ordre énergétique de la structure électronique, se produit avec émission de rayons X. L’analyse de ces rayons permet d’obtenir des informations sur la nature chimique de l’atome.
Cathodoluminescence :
C’est l’émission de photons de grande longueur d’onde (ultraviolet, visible) obtenus sous l’impact du faisceau primaire sur des matériaux isolants ou semi-conducteurs. Avec le MEB classique, équipé de détecteurs adaptés, trois informations distinctes peuvent être exploitées : l’imagerie en électrons secondaires, l’imagerie en électrons rétrodiffusés et la micro-analyse X.
La détection des électrons secondaires est le mode classique d’observation de la morphologie d’une surface. (Les électrons secondaires captés proviennent d’un volume étroit d’environ 10 nm). Nous donnerons dans la suite la vue globale de la MEB que nous comptons utiliser pour l’évaluation de la morphologie de surface de nos échantillons dont on é tudiera la mouillabilité par la suite.