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Il n’est pas rare de voir aujourd’hui des images à fort grossissement obtenues avec des microscopes un peu particuliers : microscope électronique à balayage, microscope à effet tunnel… a priori bien loin de l’idée qu’on se fait d’un microscope traditionnel utilisé en classe de biologie.

Ces appareils produisent des images à très forte résolution et très fort grossissement. Les microscopes à effet tunnel peuvent ainsi « photographier » des atomes individuels !

On va voir ici ce que sont ces technologies et comment elles fonctionnent.

Microscope optique VS microscope électronique

Dans la vie courante, un appareil électronique est un appareil quelconque qui utilise des puces électroniques : une console de jeu, un téléphone, un appareil photo numérique sont considérés comme des appareils électroniques.

Quand je parle d’un microscope électronique, le qualificatif « électronique » ne désigne pas le fait qu’il utilise des puces électroniques, mais plutôt que l’image est obtenue à partir d’un faisceau d’électrons.
Il s’agit donc d’une opposition au microscope optique, qui utilise des photons, de la lumière.

Le microscope optique utilise la lumière visible pour éclairer un objet puis un système de lentilles et de loupes pour diffracter la lumière jusqu’à nos yeux. Le problème avec tout système sur lequel on projette des particules (photons, électrons…) c’est que ces dernières produisent des interférences quand elles sont envoyées sur des objets plus petits que leur longueur d’onde.

Ainsi, un microscope optique avec de la lumière visible entre 400 nm et 800 nm ne pourra espérer observer que des objets plus gros que ~800 nm environ, soit 1 μm. Ceci est suffisant pour observer des cellules vivantes, mais pour des virus ou des atomes, il nous faut autre chose.

Le microscope à faisceau d’électrons

Pour voir des choses de l’ordre du nanomètre, il nous faut l’éclairer avec quelque chose ayant une longueur d’onde de cet ordre de grandeur également.
Pour des atomes, il s’agit donc d’avoir des longueurs d’onde d’environ 0,1 nm, et là, même les rayons X ou gamma ne suffisent pas.

La solution qui a été imaginée est d’utiliser non pas des photons, mais des électrons.

En effet, le physicien Louis de Broglie (lire « de Breuil ») généralisa dans les années 1930 l’idée de la dualité onde-particule à toutes les particules, plus seulement aux photons.
Cette hypothèse a dès lors été confirmée par l’observation, quand on est parvenu à faire interférer et diffracter des électrons, par exemple.

Or, si les électrons ont une longueur d’onde, elle est beaucoup plus fine que celles des photons les plus énergétiques, à savoir de l’ordre de quelques picomètres environ (1 pm = 0,001 nm = 10⁻¹² m).

Avec ceci, on peut donc observer des choses nanométriques, et c’est ce que l’on fait avec ces microscopes électroniques, en particulier les technologies suivantes :

  • microscope électronique à transmission (le faisceau est passé à travers l’échantillon avant d’être capté)
  • microscope électronique à réflexion (le faisceau est réfléchi sur l’échantillon avant d’être capté)
  • microscope électronique à balayage (le faisceau d’électrons balaye l’échantillon à observer et l’image est reconstituée ensuite)

Dans tous les cas, les électrons transportant l’information prise sur l’échantillon sont récupérés par des capteurs, puis une représentation visuelle est produite.

Principe de fonctionnement

Le microscope électronique utilise un faisceau d’électrons pour « éclairer » un échantillon. On capte ensuite les électrons après qu’ils sont passés à travers ou réfléchis par l’échantillon.

Une très bonne animation est proposée sur Wiki-commons.

Le fonctionnement est analogue aux microscopes optiques, c’est juste qu’on remplace les photons par les électrons :

  • on utilise non plus une source lumineuse, mais un canon à électrons, produit par une cathode, comme celle trouvée dans les vieux écrans à tube cathodique ;
  • là où les photons sont focalisés par des lentilles en verre, les électrons sont canalisés et focalisés, par un système d’électroaimants ;
  • enfin, on n’emploie plus une plaque photosensible, mais une plaque électrosensible (là encore, comme la surface d’un écran à tube cathodique, recouverte de luminophores).
  • « l’image » de la plaque électrosensible est transformée en image visualisable par un ordinateur.

En optique, on peut utiliser des photons de différentes longueurs d’onde (différente énergie) pour obtenir différentes couleurs : la couleur est ce que le cerveau utilise pour distinguer les photons de différente énergie.

En électronique, on peut envoyer des électrons de différentes énergies également. Pour cela, il « suffit » de faire varier la haute tension appliquée sur la cathode (qui est de plusieurs dizaines de kilovolts).
Dans ce cas, en éclairant l’échantillon successivement avec plusieurs faisceaux d’électrons d’énergie variable, on peut distinguer des choses supplémentaires sur l’échantillon à observer, qui seront ensuite rendues par des couleurs sur l’image finale.

Le microscope à sonde locale

Outre les microscopes électroniques, qui tirent parti de la haute énergie des électrons pour augmenter la résolution des images par rapport à un microscope optique, il existe aussi des microscopes à sonde locale.

Le principe est différent : ici on n’envoie pas de particules sur un échantillon pour venir en détecter l’écho, mais on utilise une sonde, sous la forme d’une pointe très fine qui va venir palper la surface de l’échantillon.

Il n’y a pas de contact à proprement parler : seulement une interaction entre les électrons de la pointe et ceux de l’échantillon. Ainsi, quand la pointe ultrafine d’un microscope à force atomique approche la matière, il en détecte la répulsion électronique : le dispositif est si sensible qu’il peut distingue les atomes individuels !

La pointe scanne tout l’échantillon, en montant et descendant en même temps que le relief de l’échantillon. Elle utilise pour ça une boucle de rétroaction de façon à maintenir une altitude constante au-dessus de la surface. Ainsi, si l’intensité de l’interaction entre les électrons augmente, la surface de l’échantillon s’approche et la pointe doit remonter. Inversement, une interaction qui diminue en intensité signifie que la surface descend et la pointe doit faire de même. Un peu comme un sous-marin qui utiliserait un sonar pour maintenir une altitude constante au-dessus du plancher océanique.

C’est ensuite l’élévation et l’abaissement de la pointe qui est mesurée et qui permet de produire l’image finale.

J’ai dit que la pointe était plus ou moins repoussée lors du sondage d’un échantillon : cette variation de répulsion est mesurée grâce à des détecteurs piézoélectriques : des cristaux dont l’écrasement produit une impulsion électrique. En détectant l’impulsion, on reconstitue la topographie à l’échelle atomique de l’échantillon.

Dans le cas du microscope à effet tunnel maintenant, on utilise toujours une sonde très fine, mais ce dernier va « aspirer » les électrons qui s’échappent de la surface de l’échantillon. En effet, les électrons ne devraient pas pouvoir franchir le gap entre l’échantillon et la sonde, car il n’y a pas de contact électrique entre les deux, mais la physique quantique étant ce qu’elle est, certains électrons y parviennent malgré tout grâce à l’effet tunnel : les électrons, face à un « mur » de potentiel infranchissable, forcent le passage en sautant de l’autre côté (ça reste un phénomène quantique sans équivalent dans la vie courante…).

La sonde capte ce flot d’électrons et en mesure l’intensité du courant. En sachant que la sonde capte plus d’électrons plus elle est proche de la surface, le détecteur reconstitue la topographie de l’échantillon.

Dans le cas des microscopes à sonde locale, il faut bien voir que la sonde se déplace au-dessus de l’échantillon. À des résolutions les plus fortes, la sonde se déplace d’atome en atome : inutile de dire que ces dispositifs sont extrêmement sensibles. Aussi, la plupart du temps, ils fonctionnent sous ultravide (vide très poussé), à des températures proches du zéro absolu et sur des tables capables d’atténuer les moindres vibrations.

D’autres technologies existent, comme le microscope à conductance ionique, qui fonctionne en milieu aqueux. Celui-ci détecte la conductivité électrique lorsque la sonde s’approche d’un corps : la conductivité provenant des ions s’échappant de l’échantillon (par exemple une cellule). C’est donc similaire au microscope à effet tunnel, sauf que c’est en milieu aqueux.

image d’en-tête d’Harpreet Singh

2 commentaires

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Juju écrit :

C'est fort !
Notons aussi que le MEB donne une image mais aussi les proportions de la composition des éléments analysés. Et c'est très pratique dans l'industrie.

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Mohamed écrit :

Bonjour à tous,

Encore un superbe article. Je ne peux que te féliciter !
Je suis un grand passionné de la science et ces prouesses humaines sont incroyables.
Je me permets de rebondir sur une phrase que vous avez mis entre parenthèses: "ça reste un phénomène quantique sans équivalent dans la vie courante…".
C'est vrai qu'il est extrêmement difficile de se représenter certains phénomènes quantiques, à l'image du spin pour ne citer que lui.

Encore une fois, Bravo pour ce travail... Dans l'attente de votre prochain article.

Bonnes fêtes de fin d'année à tous !


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