La microscopie électronique en transmission (MET) est une technique d’imagerie à haute résolution qui utilise un faisceau d’électrons traversant un spécimen ultra-mince pour former une image. Le MET peut atteindre une résolution à l’échelle atomique, ce qui le rend essentiel pour caractériser les nanomatériaux, les structures cristallines et l’ultrastructure cellulaire.
Principes du MET
Dans un MET, les électrons sont accélérés à des énergies élevées (généralement 60–300 keV) et focalisés sur le spécimen par des lentilles condenseurs électromagnétiques. Le faisceau d’électrons traverse le spécimen, et les électrons qui en émergent sont collectés par une lentille objectif pour former soit une image, soit un diagramme de diffraction. Le contraste dans les images MET provient des variations de densité électronique, d’épaisseur et d’orientation cristallographique à travers le spécimen.
La longueur d’onde de Broglie des électrons de haute énergie est bien plus courte que celle de la lumière visible. À 200 keV, la longueur d’onde électronique est d’environ 2,5 pm, permettant une résolution théorique inférieure à 1 Å. En pratique, les aberrations des lentilles limitent la résolution à environ 0,5–1 Å dans les instruments corrigés des aberrations.
Composants de l’instrument
La colonne MET se compose d’un canon à électrons, généralement un canon à émission de champ (FEG) pour une luminosité et une cohérence élevées. Les lentilles condenseurs contrôlent les conditions d’illumination. La platine porte-spécimen permet un positionnement précis, une inclinaison et un chauffage ou refroidissement. La lentille objectif est le composant le plus critique pour la formation de l’image. Les lentilles projecteurs agrandissent l’image ou le diagramme de diffraction sur un détecteur, généralement une caméra CCD, CMOS ou un détecteur direct d’électrons.
Des ouvertures dans la colonne permettent la sélection de tailles de faisceau et d’angles de diffusion spécifiques. La colonne entière est maintenue sous vide poussé pour empêcher la diffusion des électrons par les molécules de gaz.
Mécanismes de formation d’image
Le contraste de masse-épaisseur se produit lorsque des régions plus épaisses ou plus denses diffusent plus d’électrons hors du faisceau, apparaissant plus sombres dans l’image. Le contraste de diffraction provient de spécimens cristallins où les grains orientés aux angles de Bragg diffusent fortement les électrons. Le contraste de phase, produit par l’interférence entre les faisceaux transmis et diffusés, est la base de l’imagerie MET haute résolution (HRTEM) des réseaux atomiques.
Le mode MET à balayage (STEM) focalise le faisceau d’électrons en une sonde fine qui balaie le spécimen. Les détecteurs collectant les signaux de champ sombre annulaire (ADF) et de champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) fournissent des images à contraste Z où l’intensité varie avec le numéro atomique.
Préparation des échantillons
La préparation des échantillons est l’aspect le plus critique et le plus difficile du MET. Le spécimen doit être suffisamment mince pour que les électrons le traversent, typiquement moins de 100 nm pour le MET conventionnel et moins de 50 nm pour les travaux à haute résolution.
Pour les matériaux, l’électropolissage produit des régions transparentes aux électrons dans les métaux. Le fraisage par faisceau d’ions focalisé (FIB) extrait des lamelles spécifiques d’échantillons massifs. Le polissage mécanique suivi d’un fraisage par ions Ar est utilisé pour les céramiques et les semi-conducteurs. Les nanoparticules sont simplement déposées sur des grilles de cuivre recouvertes de carbone.
Pour les échantillons biologiques, la fixation chimique au glutaraldéhyde et au tétroxyde d’osmium est suivie d’une déshydratation et d’une inclusion en résine époxy. Des coupes ultra-minces sont réalisées avec un couteau de diamant sur un ultramicrotome. La cryo-MET de spécimens vitrifiés congelés-hydratés évite les artefacts de fixation et préserve la structure native.
Capacités analytiques
La diffraction électronique en zone sélectionnée (SAED) fournit des informations cristallographiques à partir de régions aussi petites que quelques centaines de nanomètres. La diffraction électronique en faisceau convergent (CBED) donne des informations de symétrie tridimensionnelle à partir de volumes nanométriques.
La spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS ou EDX) en MET détecte les rayons X caractéristiques pour l’analyse de la composition élémentaire à l’échelle nanométrique. La spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) mesure la distribution d’énergie des électrons transmis, fournissant des informations sur la composition élémentaire, la liaison chimique et la structure électronique. L’EELS est particulièrement sensible aux éléments légers tels que le carbone, l’azote et l’oxygène.
Applications
Le MET est essentiel pour caractériser les nanoparticules, les points quantiques, les nanofils et les matériaux 2D tels que le graphène. En métallurgie, il révèle les dislocations, les joints de grains et les précipités. Dans la fabrication de semi-conducteurs, le MET mesure l’épaisseur de l’oxyde de grille et les dimensions des canaux. En biologie, la cryo-MET a révolutionné la biologie structurale en déterminant les structures atomiques de complexes protéiques, virus et protéines membranaires.
Limitations
Le MET nécessite une préparation extensive des échantillons qui peut introduire des artefacts. La technique fonctionne sous vide poussé et utilise des électrons de haute énergie qui peuvent endommager les spécimens sensibles au faisceau. L’interprétation des images HRTEM nécessite des simulations sophistiquées et une expertise. L’instrumentation est coûteuse et nécessite des installations spécialisées et des opérateurs formés.
