Travaux Pratiques. Microscopie. Microscopie Électronique à Transmission Prise en main

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1 Travaux Pratiques Microscopie Microscopie Électronique à Transmission Prise en main Élisabeth Nienaltowska Alexis Brenes Adrien Vincent M2 Nanosciences parcours Nanodispositifs et nanotechnologies Université Paris-Sud XI ÉNS de Cachan 6 novembre 2012

2 Table des matières I Introduction I.1 Objectifs I.2 Utilisation du microscope I.3 Description du matériel I.4 Caractéristiques du porte-échantillon I.5 Utilité d une longueur d onde picométrique II Principe II.1 Observation du contraste II.2 Image directe et figure de diffraction III Protocole expérimental IV Résultats IV.1 Calibrage des échelles IV.2 Observation de nanoparticules d oxyde de magnésium (MgO) IV.3 Observation de WS V Conclusions I Introduction I.1 Objectifs Les objectifs de la séance sont d avoir un premier contact avec l équipement de Microscopie Électronique en Transmission (MET) (en anglais Transmission Electron Microscopy), d observer des échantillons dans le plan image et plan réciproque et d interpréter ces images en termes cristallographiques. I.2 Utilisation du microscope Cet équipement est surtout utilisé par les équipes de chercheurs, comme STEM au laboratoire de Physique des Solides (LPS), pour effectuer les travaux de recherches fondamentales et appliquées. Les recherches concernent les nanoparticules, les structures à l échelle des molecules (notamment graphène), etc. I.3 Description du matériel Le principe de la microscopie électronique en transmission a été formulé en L équipement MET qui a servi lors de nos TP est un appareil construit quant à lui dans les années 90. Il permet d analyser les échantillons spécialement préparés pour être de très faible épaisseur (de quelques à 100 nm) et donc suffisamment transparent pour une observation en transmission. Il comprend : une source d électrons (Figure 1a) constituée de cristaux de LaB 6 chauffés à plusieurs milliers de degrés. Cette source est placée dans la partie supérieure de la colonne du microscope. La plupart de ses éléments (cristaux surtout) sont sensibles aux conditions de vide. Pour cette raison, la source est placée dans une bulle où l ultravide a été fait. 1

3 un système de focalisation composé de lentilles magnétiques 1 permettant d obtenir une onde électronique quasi-plane au niveau de l échantillon un porte-échantillon présenté en Figure 1b un diaphragme situé dans le plan focal un second système de lentilles magnétiques permettant de former l image de l échantillon ou du plan focal 2 dans le plan d observation. un écran fluorescent pour l observation directe à l œil 3 permettant d ajuster les réglages une caméra CCD pour observer les images sur un écran d ordinateur et permettre un traitement plus élaboré d une pompe à vide (l ensemble du microscope fonctionne sous vide). (a) Détail de la source présente dans le microscope. (b) Détail du porte-échantillon du MEB. Figure 1 Certains éléments du MEB utilisé pendant la séance. On peut remarquer qu il n existe pas de parties mobiles dans le MET. La distance focale des lentilles dépend du champ magnétique en leur sein et est donc variable sans bouger mécaniquement le matériel : il suffit de faire varier l intensité du courant circulant dans les bobines. Les dispositifs électroniques utilisés par le MET sont de forte puissance. Les courants au sein des lentilles magnétiques sont supérieurs à l ampère et le matériel a donc tendance à chauffer significativement par effet Joule. Pour contrebalancer cela, le MET est muni d un système de refroidissement hydraulique. L ensemble du microscope est présenté en Figure 2. ~ non homogène afin de compresser le faisceau d électrons. 1. Les lentilles magnétiques utilisent une champ magnétique B On notera donc que les seules lentilles possibles pour un faisceau électronique sont donc des lentilles convergentes. 2. Nous verrons des exemples d utilisation de ces deux configurations dans la suite du compte-rendu. 3. Un écran fluorescent vert est utilisé car il s agit de la zone du spectre visibles où la sensibilité de l œil humain est optimale. 2

4 Figure 2 Photographie du Microscope Électronique en Transmission. 3

5 I.4 Caractéristiques du porte-échantillon. Afin d obtenir un échantillon observable d épaisseur assez fine 4 et permettant de fixer les particules qu on cherche à observer, une grille d un pas de 10 µm a été posée sur le porte-échantillon, et une membrane de carbone trouée (toile d araignée) a été déposée sur cette grille. Nous verrons cette membrane lors de l observation des échantillons. Il est donc nécessaire que cette membrane soit amorphe, pour éviter de polluer les figures de diffractions, et relativement homogène, pour ne pas générer de contraste indésirable dû à son absorption. Un des intérêts de la membrane est également de permettre les réglages du MET, notamment celui de l astigmatisme (dans les deux directions du plan d observation), en fournissant des détails linéaires ou ponctuels faciles à dénicher. Le dépôt des particules sur cette membrane a été réalisé en dissolvant ces particules dans l éthanol et en déposant quelques gouttes de cette solution sur la membrane de carbone. Ensuite, l éthanol s évapore et les particules restent accrochées à la membrane. On peut alors les observer, en prenant la précaution de sélectionner, dans la mesure du possible, des particules en bordure d un trou dans la peau de carbone, pour s affranchir de l absorption de la peau. I.5 Utilité d une longueur d onde picométrique La résolution du microscope est proportionnelle au facteur ON où ON est l ouverture numérique du dispositif, définie par ON = n sin (θ), avec n l indice de réfraction du milieu ambiant et θ l angle d ouverture du faisceau d électrons atteignant le dispositif de lentilles du microscope. Ce qui nous donne dans le cas d un microscope dans l air ou le vide simplement ON = sin θ. Afin d améliorer la résolution, on pourrait être tenté d accroître θ, qui n est que de 10 2 rad pour la plupart des MET 5. Cependant, les lentilles magnétiques sont à forte aberration sphérique, ce qui limite fortement l angle θ pour obtenir une image non déformée (et nette). Ainsi, le moyen le plus efficace pour accroître la résolution du microscope est de diminuer de la longueur d onde du faisceau permettant l observation 6. Le principe fondamental de la microscopie électronique est donc d utiliser une longueur d onde plus petite que la lumière visible afin d observer des détails invisibles avec cette dernière. La longueur d onde en question est atteinte en accélérant des électrons à l aide d une tension élevée. En effet, avec des notations usuelles, nous avons l énergie E d un électron qui est donnée par : E = p2 2m = 4π2 2 2mλ 2 Or nous avons aussi, en négligeant l énergie thermique de l électron : E = ev acc D où l expression de la longueur d onde λ 7 associée à l électron : λ = h 2emVacc Ce qui donne, en prenant par exemple une centaine de kilovolts pour la tension V acc, λ = 3, 9 pm, à comparer à plusieurs centaines de nanomètres pour la lumière visible. Il faut toutefois noter que dans la pratique, la situation n est pas aussi favorable car les lentilles utilisées dans un MET présentent davantage d aberrations que les lentilles optiques que nous sommes 4. Ceci est nécessaire car même accélérés à 100 kev, les électrons interagissent fortement avec la matière et sont stoppés au bout de quelques centaines de nanomètres D où la nécessité d utiliser une longueur d onde picométrique (10 12 m) si l on souhaite observer des détails de l ordre de l angström (10 10 m). 6. Cependant, l un des axes majeurs de la recherche actuelle en microscopie électronique en transmission est justement de réussir à améliorer l ouverture numérique afin de pouvoir, à résolution égale, diminuer la tension d accélération des électrons et donc moins irradier l échantillon, i.e. réduire le nombre de défauts que l on y génère. 7. Les électrons sont supposés non relativistes pour simplifier, sachant qu aux valeurs de V acc que nous emploierons, il faudrait en toute rigueur commencer à prendre en compte les corrections de masse relativiste. λ 4

6 capables de fabriquer, réduisant ainsi la résolution que nous pouvons espérer atteindre avec un MET. Cependant, dans les faits, l avantage reste (largement) dans le camp de la microscopie électronique en transmission. II Principe II.1 Observation du contraste Le MET fonctionne avec un faisceau d électrons issue d une source ad-hoc et accélérés par un tension. Le faisceau est ensuite mis en forme à l aide de lentilles magnétiques, afin de ressembler le plus possible à une onde plane à son arrivé sur la face d entrée de l échantillon. Pour faire simple, on peut retenir que le fonctionnement d un microscope électronique en transmission est sensiblement similaire à celui d un microscope optique, avec un faisceau électronique utilisé en lieu et place d un faisceau de lumière optique. On a ainsi schématiquement l organisation suivante : 1. une source d électrons ; 2. une optique de mise au point ; 3. l échantillon ; 4. une optique d agrandissement ; 5. un film sensible aux électrons ou une caméra CCD équipées d un scintillateur. II.2 Il existe deux grand familles de sources électroniques : les sources thermoioniques, basées sur un apport d énergie par effet Joule afin de donner un coup de pouce aux électrons de la source proches du niveau de Fermi une énergie suffisante pour atteindre l énergie du vide. On utilise le plus souvent un filament de tungstène, voire un cristal de LaB 6, dont les travaux de sortie sont bien adaptés à cet usage. les canons à effet de champ, consistant en une pointe sur laquelle est appliquée un fort potentiel électrique par rapport au reste de l espace environnant, afin d en éjecter des électrons par effet tunnel. Ces sources présentent l intérêt d être plus brillantes que les sources thermoioniques mais aussi plus sensibles, la présence de molécules adsorbées à la surface de la pointe pouvant par exemple en réduire les capacités d émission. En fonction de la zone de l échantillon traversée par ces électrons, deux phénomènes se produisent : ils sont faiblement absorbés ce qui génère un léger contraste d absorption ils subissent de la diffraction, ce qui génère un déphasage (introduit par la diffraction) entre les différents électrons. Comme il est impossible d observer directement un déphasage (aucun instrument de mesure n est sensible au déphasage), on peut obtenir des informations relatives à la phase en observant l image dans le plan de Fourier des lentilles. On obtient alors une figure de diffraction. Afin d accroître le contraste, on dispose de deux moyens complémentaires : on travaille avec un faisceau légèrement défocalisé on place un diaphragme, de sorte que le microscope filtre spatialement le faisceau. En l absence de diaphragme supplémentaire, c est la largeur limitée de la colonne du microscope qui limite la largeur du faisceau et fait office de filtre, mais son efficacité est très faible et l image obtenue est très peu contrastée. Image directe et figure de diffraction Le MET permet d obtenir d une part une image d un échantillon (mode direct) et d autre part sa figure de diffraction. Le passage de l une à l autre image se fait en observant l image soit dans le plan de Fourier (plan focal image de la lentille objectif), soit en sortie de l oculaire, dans le plan image conjugué du plan objet où est placé l échantillon. Le passage de l un à l autre est automatisé et se fait simplement en appuyant sur un bouton de commande. L image diffractée permet notamment d étudier la structure cristallographique d un échantillon. Un matériau amorphe ne fournit pas de taches de diffraction. Pour chaque type de matériau, en fonction des motifs observables sur la figure de diffraction, on peut remonter à des informations cristallographiques sur l échantillon. 5

7 III Protocole expérimental Pour ne pas saturer la caméra CCD et faciliter l observation à l oeil nu sur l écran fluorescent, on commence par éteindre la lumière de la salle. Avant de commencer l observation d un échantillon, il est nécessaire de régler l astigmatisme. Pour ce faire, on utilise les bords visibles sur la membrane de carbone et on tente d obtenir les bords les plus nets possibles à l image et d épaisseur la plus constante possible dans deux directions sensiblement orthogonales du plan. Pour ce faire, on commence par centrer l échantillon à l aide de la manette analogique, puis on réalise un zoom sur l échantillon (augmentation de la tension d accélération des électrons fait automatiquement par le microscope). A chaque niveau de zoom, il est nécessaire de régler plus précisément l astigmatisme. Autres réglages? Je ne me souviens plus trop... IV IV.1 Résultats Calibrage des échelles Pour connaître le bon calibrage de l échelle, il faut disposer de références fiables. Les données enregistrées pendant la séance de TP font apparaître une incompatibilité entre deux mesures. Nous avons recueilli des enregistrements de divers objets, en notant des grandissements allant de 1400 à Sur trois images nous avons les références : une longueur (0,2 nm) portée manuellement sur l image pendant la séance pour un grandissement de 1,4 k (cf. Figure 3) ; les plans de fullerène (distants de 0,6nm) pour des grandissements de k et k (cf. Figure 4). Figure 3 Image de référence prise avec un grandissement de 1400 sur laquelle l échelle a été placée manuellement avant toute manipulation - On mesure 137 pixels pour 0,2 nm. Ces valeurs ne sont pas cohérentes. Le rapport d échelle n est pas conservé. Par la suite, nous retiendrons uniquement l échelle calculée avec les plans de fullerène soit : , pixels.nm 1.unite de grandissement 1 (1) En effet, pour l échelle de la Figure 3, une référence de 0,2 nm pour 140 pixels correspondrait à une resolution de 1,4 pm par pixel! Ce qui est un peu aberrant pour un si faible grandissement. Que dire alors du fort grandissement? 6

8 Figure 4 Image des plans de fullerène obtenue avec un grandissement de On observe 10 plans de fullerène pour 144 pixels soit 144 pixels pour 6 nm. Avec l échelle de la Figure 3, on devrait obtenir 144 pixels pour , , 7 pm IV.2 IV.2.a Observation de nanoparticules d oxyde de magnésium (MgO) Rappels sur les observations en champ clair (BF Bright Field) Le premier mode d imagerie mis en place sur les nanoparticules de MgO et utilisant le diaphragme dans le plan focal (ici confondu avec le plan de Fourier) est dénommé bright field, ou «champ clair» en français. Il s agit de sélectionner dans le plan focal uniquement l ordre zéro, i.e. la tache correspondant à la transmission et de travailler donc en contraste d absorption (le principe est schématisé à la Figure 5). On élimine donc toutes les informations liées à la diffraction (les ordres strictement supérieurs à zéro) ainsi que le bruit hautes fréquences. Les images en champ clair présentent donc un meilleur contraste. Par ailleurs, les ombres blanches que l on pouvait voir auparavant disparaissent puisqu il s agissait de manifestations des phénomènes de diffraction. Le fait de laisser passer l ordre zéro conduit à observer un objet ayant absorbé une partie du rayonnement incident et apparaissant donc plus sombre que le fond de l image qui n a rien absorbé (ou très peu s il s agit de la peau de carbone), d où le nom d image en fond clair. Figure 5 Principe d une observation en champ clair. Source : 7

9 IV.2.b Image de nanocubes en champ clair - Dispersion de tailles Lors de l observation de particules de MgO, on obtient sur l écran la figure 6b. On constate qu il s agit de particules cristallines cubiques. (a) Sans diaphragme. (b) En mode BF. Figure 6 Nanocubes de MgO avec un grandissement de 8,3 k Améliorations apportées par l observation en champ clair : on a une augmentation du contraste ainsi que la disparition des ombres blanches de diffraction sur les arêtes des cubes. Il est possible de tracer, à l aide des images en fond clair, un histogramme de la taille des nanocubes de MgO (cf. la Figure 7b). Un exemple des dimensions relevées est donné sur la Figure 7a : la longueur des arêtes des cubes (marquées par des traits bleus) est relevée en pixels et convertie en nanomètres à l aide du facteur de conversion (1) page 6. En utilisant l ensemble des cliché BF que nous avons enregistrés au cours de la séance de TP, on aboutit a une taille moyenne des particules de 99,7 nm avec un écart-type de 30,1 nm. Les particules d oxyde de magnésium peuvent donc se présenter sous des tailles très diverses, a priori inférieures à 200 nm pour la très grande majorité si l on adopte un modèle de dispersion de forme gaussienne. Il faut toutefois rester conscients de la précision limitée de ces résultats. Tout d abord parce que le nombre d échantillons est assez limité (au total, nous avons 33 mesures différentes) pour vraiment espérer pouvoir en tirer des conclusions statistiques vraiment représentatives 8. Ensuite parce que en raison de ce nombre de mesures restreints, nous avons même inclus dans l ensemble des valeurs utilisées, certaines mesures faites sur des cubes qui ne sont pas «à plat» sur les clichés : la longueur de l arête mesurées est alors plus faible que la réalité, en raison de la projection associée au cliché. Si cela permet tout de même d avoir un ordre de grandeur de la taille des cubes, ce dernier point explique peut-être en partie la division en deux populations de cubes que l on peut observer sur la Figure 7b. 8. D autant plus que l écart-type semble non négligeable. 8

10 (a) Observation en BF de nanoparticules de MgO au grandissement 8300 Exemples de mesure de la taille des d arêtes des cubes. (b) Histogramme de la taille des nanocubes de MgO Barres de 5 nm de largeur et modèle gaussien en surimpression. Figure 7 Étude de la dispersion en taille de nanocubes de MgO observés. IV.2.c Rappels sur les observations en champ sombre (DF Dark Field) On s intéresse désormais aux observations en mode Dark Field, ou «champ sombre» en français. Il s agit cette fois de sélectionner, toujours avec un diaphragme dans le plan focal, non plus la tache centrale correspondant à l ordre zéro de diffraction mais au contraire une tache réellement formé par le phénomène de diffraction (un schéma de principe est donné à la Figure 8). Le contraste de ces images est alors un contraste de phase, i.e. qu on a sélectionné, grâce au diaphragme, l ensemble des électrons ayant été déphasés de manière identique par l échantillon, typiquement en étant diffractés par un ensemble de plan dirigés suivant la même orientation et satisfaisant à la conditions de Bragg. Les électrons dont le déphasage ne correspond pas ont été éliminés par le diaphragme. Figure 8 Principe d une observation en champ sombre. Source : Les images en champ sombre permettent donc de sélectionner les domaines de l image correspondant à certaines propriétés cristallographiques identiques. Par exemple si l on étude un métal contenant des cristallites, il va être possible de séparer ces cristallites grâce à des images en champ sombre et donc d obtenir des informations sur la taille des domaines, leur forme, etc. On remarquera cette fois que puisque l on n a laissé récupéré uniquement les faisceaux diffractés par un objet ou plusieurs objets spécifiques, on obtient l image claire des ces objets sur un fond sombre (le 9

11 faisceau transmis n étant pas récupéré). Il est alors en effet pertinent de qualifier ce mode d imagerie de «champ sombre». IV.2.d Image de nanocubes en champ sombre (a) Sans diaphragme. (b) En mode DF. Figure 9 Nanocubes de MgO avec un grandissement de 8,3 k Exemple d une observation en champ sombre : on n observe plus que les objets à l origine de la tache de diffraction sélectionnée avec le diaphragme (le choix étant arbitraire dans notre cas). (a) Choix arbitraire d une 1 re tache de diffraction. (b) Autre tache de diffraction arbitrairement choisie. Figure 10 Nanocubes de MgO avec un grandissement de 8,3 k Effet du filtrage spatial d une direction du réseau réciproque en champ sombre : on n observe pas le même objet selon la tache de diffraction retenue. IV.3 Observation de WS 2 IV.3.a Cliché haute résolution d un fullerène de WS 2 Le cliché des plans atomiques d un fullerène de WS 2 utilisé pour l étalonnage spatial et repris à la Figure 11b a été obtenu à l aide d une méthode dite à haute résolution (HRTEM en anglais). Il s agit 10

12 d obtenir un contraste de phase observé via les interférences entre le faisceau transmis et certains ordres de diffraction. On sélectionne ainsi à l aide du diaphragme le faisceau transmis et les taches correspondant aux premiers ordres de diffraction. Ceci est illustré sur la Figure 11a. Sous certaines conditions, de tels clichés permettent normalement d espérer atteindre la résolution atomique ou tout du moins de s en approcher fortement. (a) Principe. Source : (b) Cliché par MET haute résolution d un fullerène de WS 2. Figure 11 Imagerie TEM à haute résolution. On observe ainsi sur la Figure 11b les groupes de trois plans atomiques qui nous ont permis de procéder à l étalonnage spatial de l ensemble de nos mesures. On peut aussi constater la présence d une dislocation dans la partie inférieure de la même image. IV.3.b Clichés de diffraction d une plaquette et d un fullerène de WS 2 Le dernier type d images que nous avons réalisé lors de la séance de TP sont des clichés de diffraction sur deux types d échantillons : une plaquette de WS 2 dont l orientation du cristal est plutôt bien contrôlée lors de la croissance ; un fullerène de WS 2. Le principe de la mesure consiste à projeter l image du plan de Fourier 9 sur la caméra CCD. Ce que nous observons correspond donc à la projection des intersections de la sphère d Ewald avec les n œuds du réseau réciproque 10. Les deux cristallogrammes obtenus sont donnés à la Figure 13 page suivante. En réalité, étant données les dimensions finis de nos échantillons, les n œuds du réseau réciproque sont des ellipsoïdes 11 d autant plus allongées dans une direction que l échantillon s étant peu selon cette dernière comparativement aux autres directions. Ceci augmente la «probabilité» d intersection entre la sphère d Ewald et le réseau réciproque, notamment en ce qui concerne les ordres de Laue supérieurs. Le tout est schématisé sur la Figure 12. On constate à l aide de la Figure 13a que la structure cristallographique de la plaquette de WS 2 se rapproche d un monocristal sans toutefois l être parfaitement (cf. les points qui se répètent autour d une 9. À la rotation près des électrons entre ledit plan et le plan de projection. 10. Il s agit simplement d un critère graphique de diffraction. 11. Ceci traduit la relaxation de la loi de Bragg dans un cristal de taille finie. 11

13 Sphère d'ewald Figure 12 Illustration schématique de la figure observée à l aide de la sphère d Ewald. On notera que le rayon en λ 1 de la sphère d Ewald entraîne que dans le cas de l imagerie électronique, la zone d intersection entre l ordre zéro de Laue et la sphère en question est grand (plus grand que dans le cas de l imagerie à rayons X par exemple). 1/ λ Nœuds du réseau réciproque Ordre 1 Taches liées à l'ordre 1 Taches de diffraction liées à l'ordre 0 Taches liées à l'ordre 1 Ordre 0 position similaire 12 ). Ceci peut s expliquer par le fait que la plaquette présente en réalité des plans légèrement «froissés» ce qui revient donc à superposer plusieurs cristallogrammes similaires mais quelque peu translatés ou pivotés dans un plan parallèle à la plaquette. On y reconnaîtra néanmoins un motif typique d un cristal hexagonal, et donc les vecteurs de bases du réseau réciproques sont représentés sur la Figure 14. Dans le cas du fullerène, on observe sur la Figure 13b des cercles concentriques qui sont liés au fait que les feuillets atomiques constituant l objet observés sont courbes et présentent donc l ensemble des orientation possibles (similaire à ce que l on observerait dans le cas d un polycristal). Ce que l on observe constitue donc a priori l ensemble de l espace réciproque. (a) Figure 13 Comparaison des figures de diffraction obtenues avec une plaquette (13a) et un fullerène (13b) de WS 2. (b) 12. A priori, il ne s agit pas d effet dynamiques liés à des diffractions successives de l onde électronique, car on n observe pas de motifs en arc de cercle relativement fréquents dans ce genre de cas. 12

14 Figure 14 Figure de diffraction obtenue avec la plaquette de WS 2 et sur laquelle sont indiqués les deux vecteurs du réseaux réciproques dans le plan de la figure, à savoir a et b (avec les notations usuelles). Le vecteur c est quant à lui normal à ce plan et sortant vers nous de la figure. V Conclusions Ce TP fut donc pour nous l occasion d une première rencontre avec un microscope électronique en transmission. Nous avons ainsi pu nous familiariser avec les modes d imagerie en fond clair/fond sombre et étudier leurs qualités respectives. Par ailleurs, nous avons mis en œuvre un étalonnage spatial basé sur une image en haute résolution (HRTEM) d un fullerène de WS 2, grâce à laquelle nous avons pu constater que l on pouvait obtenir la résolution atomique (ou plus rigoureusement, de quelques plans atomiques dans notre cas) à l aide d un microscope électronique en transmission. Enfin, nous nous sommes aussi intéressés aux clichés de diffraction qu il est possible d obtenir avec un tel outil et à quelques unes des informations que l on peut en tirer. 13