Les microscopes électroniques les plus puissants au monde

Les microscopes électroniques les plus puissants au monde
Les microscopes électroniques les plus puissants au monde

Les microscopes électroniques ont joué un rôle central dans le développement des nanotechnologies car leurs hautes résolutions spatiales permettent de visualiser les plus petites structures. Aujourd’hui, la microscopie électronique est devenue un outil incontournable dans le développement de matériaux, tant pour les travaux de recherche que pour le contrôle de la qualité de la fabrication.

Crédit d’image : Elizaveta Galitckaia/Shutterstock.com

Comment utilise-t-on les microscopes électroniques ?

Il existe un certain nombre de techniques de microscopie électronique, telles que la cryo-microscopie électronique, qui sont normalement utilisées pour l’imagerie des structures biologiques. Certaines des techniques de microscopie électronique les plus largement utilisées comprennent la microscopie électronique à balayage (SEM) et la microscopie électronique à transmission (TEM). La microscopie électronique à balayage et à effet tunnel peut atteindre des résolutions spatiales inférieures à Angstrom, ce qui les rend inestimables pour les applications de nanotechnologie et capables d’imagerie à un seul atome.

La microscopie électronique peut être utilisée pour identifier à la fois la composition élémentaire d’un nanomatériau et sa structure. Pour les matériaux présentant des défauts, les informations élémentaires et spatiales sont particulièrement précieuses à partir de petites perturbations localisées de l’ordre cristallin global du matériau.

Les sites de défauts peuvent être causés par des impuretés chimiques dans le traitement et la contamination des échantillons, mais sont parfois introduits intentionnellement pour modifier les propriétés du matériau.

L’identification de caractéristiques très localisées et petites telles que les défauts est l’une des raisons pour lesquelles l’obtention de résolutions spatiales élevées dans un microscope électronique est si critique.

Cependant, l’un des défis lors de la construction d’un microscope électronique est de trouver des moyens de contrôler le faisceau d’électrons. Le faisceau d’électrons doit être étroitement focalisé sur l’échantillon, car la taille du spot du faisceau est liée à la résolution spatiale maximale réalisable. Cependant, la focalisation des électrons est difficile car ce sont des particules chargées négativement. Cela signifie que la réduction de la surface du faisceau augmente l’interaction entre les électrons, provoquant une répulsion plus forte entre eux, connue sous le nom d’effets de charge d’espace. Le problème est exacerbé plus le faisceau d’électrons est “brillant”, c’est-à-dire plus la densité d’électrons est élevée.

Les microscopes électroniques les plus brillants utilisent des conceptions de lentilles pour aider à contrôler les propriétés spatiales du faisceau afin de maintenir de petites tailles de points focaux avec des densités d’électrons élevées. Certains microscopes électroniques sont même capables d’imagerie résolue en temps, où des impulsions de paquets d’électrons sont utilisées pour l’imagerie d’échantillons et leur évolution temporelle avec une résolution picoseconde ou même femtoseconde.

Les microscopes électroniques les plus puissants

Un microscope électronique se compose d’une Source d’électrons, souvent appelée canon à électrons, d’une optique de manipulation de faisceau et d’un détecteur. La conception exacte de la détection dépend du fait que les mesures sont effectuées en mode transmission, où le faisceau traverse directement l’échantillon, ou les électrons sont diffusés depuis la surface et collectés.

Le système de lentille électronique est l’une des parties les plus importantes d’un instrument de microscopie électronique. Alors que le canon à électrons contrôle le nombre d’électrons qui seront produits dans l’instrument et la luminosité des faisceaux d’électrons résultants, le système de lentille détermine en fin de compte la résolution pouvant être obtenue avec l’instrument et la quantité de grossissement possible.

Parmi les microscopes électroniques les plus puissants au monde, citons le microscope électronique à transmission Thermo Fisher ThemIS hébergé dans les laboratoires Lawrence Berkeley, le microscope Themis-Z de l’Université de Sydney et le développement de nouvelles analyses et instruments à l’Université Cornell qui a récemment établi de nouveaux records. pour le niveau de résolution spatiale atteignable à 20 picomètres.

Les instruments ThemIS étaient déjà capables d’atteindre des résolutions spatiales inférieures à la moitié de la largeur des atomes d’hydrogène, bien que l’un des défis de la microscopie électronique soit de traiter les artefacts dans les images. Les développements récents à Cornell sont particulièrement remarquables car ce développement permet de corriger les aberrations causées par les lentilles et les problèmes de diffusion multiple de l’échantillon.

La microscopie électronique à transmission utilise généralement des échantillons très fins, non seulement parce qu’une quantité suffisante du faisceau d’électrons doit traverser l’échantillon pour que des niveaux de signal raisonnables puissent être atteints sur le détecteur, mais aussi parce que la présence de plusieurs couches d’atomes augmente la quantité de diffusion d’électrons. La correction de ces facteurs et des aberrations de la sonde électronique signifie que les limites de résolution théoriques réalisables actuellement par de nombreux instruments de microscopie électronique peuvent désormais être réalisées dans des images réelles.

Un autre avantage de ce développement est qu’il permet l’imagerie d’échantillons plus épais. Comme les mesures de microscopie électronique doivent être effectuées sous vide, tous les matériaux ne sont pas capables de résister intacts à la préparation de l’échantillon et aux conditions d’exposition. Le fait de pouvoir utiliser des tranches plus épaisses facilite la préparation des échantillons car ils n’ont pas besoin d’être tranchés avec une telle précision et améliore la possibilité que l’échantillon ne soit pas endommagé par l’environnement du microscope.

Innovations de recherche dans les microscopes électroniques

Les instruments de microscopie électronique sont devenus plus courants dans les laboratoires de recherche et industriels et leur utilisation est susceptible de continuer à augmenter à mesure que l’instrumentation devient plus abordable.

L’un des avantages de la microscopie électronique par rapport aux rayons X pour l’imagerie structurelle est que les signaux d’interaction avec l’échantillon ont tendance à être beaucoup plus forts. Cependant, alors que des instruments de plus en plus brillants peuvent sembler souhaitables pour réduire les temps d’acquisition expérimentale, il existe un défi concurrent dans la gestion des dommages à l’échantillon dus au faisceau d’électrons. Les dommages aux échantillons deviennent plus problématiques car les temps d’exposition sont plus longs et les faisceaux d’électrons sont plus intenses.

Une façon de contourner le problème d’endommagement de l’échantillon et de réduire la complexité des mesures de microscopie électronique et de l’analyse ultérieure consiste à utiliser des programmes d’acquisition et d’analyse automatisés plus sophistiqués. En particulier pour l’imagerie tridimensionnelle en microscopie électronique à balayage, lorsque de nombreuses couches d’images doivent être acquises pour une reconstruction complète, prendre le nombre minimal de tranches signifie moins de temps d’exposition au faisceau pour l’échantillon.

Les améliorations des algorithmes de mise au point automatique et d’autres aides à la réduction des aberrations ont également permis à la microscopie électronique de devenir plus automatisée et utilisable sur des lots d’échantillons sans nécessiter de reconfiguration manuelle fastidieuse entre les balayages.

Pour les nanotechnologies, l’imagerie au niveau atomique est déjà une possibilité bien réelle, mais l’amélioration de l’accessibilité des techniques de microscopie électronique permet de mieux comprendre les relations structure-fonction à cette échelle de taille. De nombreux domaines, comme la nanoplasmonique, reposent sur des phénomènes physiques qui ne se produisent que lorsque l’échelle de longueur du dispositif est comparable à la longueur d’onde de la lumière utilisée, et la microscopie électronique est l’outil qui permet de visualiser et d’identifier ces structures.

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Références et lectures complémentaires

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