MÉTALLOGRAPHIE Microscopie électronique

Fonctionnement en mode image

L'obtention des images à l'aide des électrons secondaires est la technique la plus utilisée pour l'observation de la microstructure ou de la topographie d'un échantillon massif. Dans le premier cas, il s'agit d'un échantillon plan poli et attaqué à l'aide des techniques usuelles de la métallographie. Dans le second cas, l'échantillon est le plus souvent examiné directement sans préparation préalable. Le contraste de l'image qui permet de visualiser la surface de l'échantillon résulte de ce que l'intensité d'émission des électrons secondaires est particulièrement sensible au microrelief de la surface observée. De plus le volume d'émission de ce signal est très faible et cela, combiné avec la sensibilité élevée du détecteur et le faible niveau de bruit dans la chaîne d'amplification du signal, permet d'atteindre, dans les meilleurs cas, un pouvoir de résolution spatiale de l'ordre de 3 nm.

Le second signal utilisé pour l'obtention des images est celui correspondant aux électrons rétrodiffusés par l'échantillon. L'intensité de cette émission est très sensible au numéro atomique moyen local. On peut ainsi observer la répartition des constituants microstructuraux d'un échantillon poli et non attaqué. Grâce à un système de traitement électronique du signal dans la chaîne d'amplification, il est possible de distinguer sur l'image des constituants dont la différence de numéro atomique moyen est inférieure à une unité. Dans le cas d'un solide cristallin, l'intensité de l'émission des électrons rétrodiffusés dépend également de l'angle d'incidence du faisceau d'électrons sur la surface de l'échantillon et ceci en raison de l'effet de la diffraction sur les trajectoires des électrons à l'intérieur du cristal. À l'aide des électrons rétrodiffusés, on peut ainsi obtenir à partir d'un échantillon polycristallin une image présentant un contraste dit cristallin, chaque grain (ou sous-grain) correspondant à un ton de gris différent.

De façon générale, le pouvoir de résolution spatiale des images formées par les électrons rétrodiffusés est un peu inférieur à celui correspondant aux électrons secondaires en raison de leur volume d'émission plus grand. Notons enfin que les émissions électroniques sont aussi sensibles à des variations locales éventuelles des propriétés magnétiques de l'échantillon et que cette particularité peut être exploitée pour obtenir un effet de contraste particulier. Il existe de même des techniques spéciales pour l'étude de la structure des semi-conducteurs.

Renseignements cristallographiques

L'étude de la cristallographie des constituants, en particulier l'orientation des grains d'un solide polycristallin, peut être abordée sur un échantillon massif par deux techniques différentes qui sont, d'une part, les figures de diffraction du type pseudo-Kikuchi et, d'autre part, la diffraction de Kossel.

Dans le premier cas, le diagramme de diffraction est obtenu, comme pour les images en contraste cristallin, grâce à la sensibilité de l'émission des électrons rétrodiffusés vis-à-vis de l'angle d'incidence du faisceau électronique sur le réseau cristallographique de l'échantillon. Au lieu de balayer le faisceau incident sur un carré de la surface, on modifie l'excitation des bobines déflectrices afin de faire pivoter le faisceau de plusieurs degrés autour d'un point fixe préalablement choisi de l'échantillon. La variation de l'angle d'incidence du faisceau conduit ainsi à la visualisation sur l'écran du tube cathodique d'une figure de diffraction correspondant à une zone localisée de l'échantillon ayant une dimension de l'ordre de quelques micromètres. Les lignes de forte et de faible intensité sur le diagramme peuvent être indexées en relation avec les plans de diffraction, ce qui permet ainsi de calculer les paramètres cristallins de l'échantillon et de déterminer ses orientations cristallographiques.

La technique de diffraction de Kossel repose sur le fait que les rayons X engendrés dans l'échantillon par les électrons incidents sont ensuite diffractés par le réseau cristallin. Le diagramme de diffraction est enregistré sur une plaque photographique convenablement placée près de l'échantillon. Le dispositif permet d'obtenir des renseignements cristallographiques dans une zone de quelques micromètres de diamètre.

Il est à noter que la qualité de ces deux types de diagramme peut être affectée par la présence de défauts cristallins, en particulier les dislocations.

Microanalyse

La méthode de microanalyse le plus souvent employée dans un microscope à balayage est celle de la spectrométrie X. Sous le bombardement des électrons incidents, l'ionisation des atomes au niveau des couches internes donne naissance à un rayonnement X caractéristique des espèces chimiques présentes dans l'échantillon. Le spectre de raies caractéristiques est superposé sur un fond continu du rayonnement de freinage formé lors de l'interaction des électrons incidents avec le champ coulombique des ions.

Pour réaliser la microanalyse dans un microscope électronique à balayage, on utilise un spectromètre à semiconducteur (silicium dopé au lithium) couramment appelé « sélectif en énergie », dont le schéma de fonctionnement est indiqué sur la figure. Dans le détecteur Si (Li) un photon X émis par l'échantillon est absorbé par effet photo-électrique. Le photo-électron dissipe son énergie par création de paires trou-électron dont le nombre moyen est proportionnel à l'énergie initiale du photon X. Un champ électrique créé par polarisation des bornes du semiconducteur Si (Li) permet de collecter la charge qui est proportionnelle au nombre de paires, et donc à l'énergie du photon incident. La charge est ensuite convertie en impulsion électrique dont l'amplitude est proportionnelle à l'énergie du photon X. Après amplification, cette amplitude est mesurée dans un convertisseur analogiquenumérique. Le spectre des photons émis est enfin reconstitué dans un analyseur multicanaux en bout de la chaîne de détection. Chaque canal de l'analyseur correspond à une bande d'énergie (typiquement de 10 ou de 20 eV de large) dans une gamme prédéterminée (typiquement de 0 à 20 keV). L'arrivée d'une impulsion fait augmenter d'une unité le contenu du canal correspondant à l'énergie du photon initial. Le spectre est donc représenté par un histogramme du nombre de coups dans chaque canal après un certain temps d'acquisition.

Le détecteur et le premier étage d'amplification sont maintenus à basse température à l'aide d'un cryostat afin d'assurer le fonctionnement correct du détecteur et d'atténuer le bruit électronique du système. Une seconde chaîne d'amplification est montée en parallèle avec la chaîne de mesure et de stockage afin d'éliminer les impulsions correspondant à l'arrivée simultanée de deux photons dans le détecteur, ce qui fausse la mesure de l'énergie de chaque photon (amplificateur de rejet d'empilement).

L'ensemble des opérations de traitement des impulsions et d'acquisition du spectre est géré par un miniordinateur qui permet également d'effectuer les opérations de soustraction du fond continu et de déconvolution des pics correspondant aux raies spectrales superposées en raison de la résolution médiocre de ce type de spectromètre. Un logiciel spécial est inclus pour calculer la composition chimique, à partir des intensités spectrales brutes, à l'aide des procédures de corrections solidement établies sur les bases physiques de la microanalyse à sonde électronique.

L'emploi des spectromètres à sélection en énergie est limité en général à l'analyse quantitative des éléments chimiques de numéro atomique supérieur à 11, bien qu'il soit maintenant possible de détecter qualitativement les atomes légers jusqu'au bore (Z = 5). Par ailleurs, la sensibilité de détection d'un spectromètre à sélection en énergie est nettement inférieure à celle d'un spectromètre à dispersion en longueur d'onde (spectromètre à cristaux) en raison de la résolution médiocre des raies qui diminue le rapport pic/fond. L'adjonction de spectromètres à cristaux au microscope à balayage devient assez courante de sorte que la distinction entre le M.E.B. et le M.A.S.E. tend à disparaître. Quant à la résolution spatiale de la microanalyse, elle est indépendante du type de spectromètre employé mais dépend du volume de l'échantillon dans lequel sont engendrés les rayons X. Ce volume, typiquement de l'ordre du μm³, est déterminé seulement par la distance de diffusion des électrons incidents dans la cible. Puisque ce volume est d'autant plus grand que l'énergie des électrons incidents est plus élevée, on limite pour la microanalyse cette énergie à une valeur de deux ou trois fois celle qui est nécessaire pour exciter le rayonnement caractéristique des éléments à analyser.