thumb|Microscope électronique construit par Ernst Ruska en 1933. thumb|Collection de microscopes électroniques anciens (National Museum of Health & Medicine).
Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau d'électrons pour illuminer un échantillon et en créer une image très agrandie. Il est inventé en 1931 par des ingénieurs allemands. Les microscopes électroniques ont un pouvoir de résolution supérieur aux microscopes optiques qui utilisent des rayonnements électromagnétiques visibles. Ils peuvent obtenir des grossissements beaucoup plus élevés allant jusqu'à 2 millions de fois, alors que les meilleurs microscopes optiques sont limités à un grossissement de . Ces deux types de microscopes ont une résolution limitée, imposée par la longueur d'onde du rayonnement qu'ils utilisent. La résolution et le grossissement plus grands du microscope électronique sont dus au fait que la longueur d'onde de De Broglie d’un électron est beaucoup plus petite que la longueur d’onde d'un photon de lumière visible.
Le microscope électronique utilise des lentilles électrostatiques et électromagnétiques pour former l'image en contrôlant le faisceau d'électrons et pour le faire converger sur un plan particulier par rapport à l'échantillon. Le principe est similaire à celui du microscope optique qui utilise des lentilles en verre pour focaliser la lumière sur ou au travers de l'échantillon pour former une image.
Histoire
À la suite des élaborations théoriques de Louis de Broglie en 1923, on a pu prouver en 1926 que des champs magnétiques ou électrostatiques pouvaient être utilisés comme des lentilles pour les faisceaux d'électronsMcGill : Leadership au tournant d’un siècle nouveau ..
Le premier prototype de microscope électronique est construit en 1931 par les ingénieurs allemands Ernst Ruska et Max Knoll.. Ce premier instrument grossissait au mieux les objets de quatre cents fois. Deux ans plus tard, Russjai construisit un microscope électronique qui dépassait la résolution possible d'un microscope optique. Reinhold Rudenberg, le directeur scientifique de Siemens, a breveté le microscope électronique en 1931, stimulé par une maladie dans la famille, pour rendre visible le virus de la poliomyélite. En 1937, Siemens commença à financer Ruska et Bodo von Borries pour mettre au point un microscope électronique. Siemens a également employé le frère de Helmut Ruska pour travailler sur des applications, en particulier avec des spécimens biologiques..
Durant la même décennie, Manfred von Ardenne commença ses recherches sur le microscope électronique à balayage et son microscope électronique universel.. Siemens produisit le premier microscope électronique commercialisé en 1938. Le premier microscope électronique américain fut construit à l'université de Toronto en 1938 par et les étudiants Cecil Hall, James Hillier et Albert PrebusMIT biography of Hillier.. Le premier microscope électronique en transmission fut construit par Siemens en 1939. La réalisation d'un microscope électronique à haute résolution ne fut possible qu'après l'invention du stigmateur par Hillier, en 1946 dans les laboratoires de RCA. Bien que les microscopes électroniques modernes puissent grossir les objets jusqu'à deux millions de fois, ils sont toujours basés sur le prototype Ruska. Le microscope électronique est un élément essentiel de l'équipement de nombreux laboratoires. Les chercheurs les utilisent pour examiner les matières biologiques (tels que les micro-organismes et les cellules), une grande variété de molécules, les échantillons de biopsie médicale, les métaux et les structures cristallines et les caractéristiques des différentes surfaces. Le microscope électronique est aussi largement utilisé pour l'inspection, l'assurance qualité et une analyse de défaillance des applications dans l'iie, y compris, notamment, de fabrication de dispositifs à semi-conducteurs.
Une publication (2022) décrit la mesure de vibrations atomiques dans un microscope électronique, qui permet maintenant d'identifier les isotopes chimiques à une échelle sub-nanométrique, qui permettra, à cette résolution, de construire et suivre des domaines isotopiques.
Types Microscope électronique en transmission
La forme originale de microscope électronique, le microscope électronique en transmission (MET) utilise un filament en tungstène comme cathode source d'électrons. Le faisceau d'électrons est accéléré par une anode en général à 100 keV (40 à 400 keV) par rapport à la cathode, concentré par des lentilles électrostatiques et électromagnétiques, et transmis sur la cible qui est en partie transparente pour les électrons et en partie les disperse. Quand il ressort de l'échantillon, le faisceau d'électrons comporte des informations sur la structure de l'échantillon qui sont amplifiées par le système de lentilles de l'objectif du microscope. La variation spatiale de cette information (« l'image ») est vue par projection de l'image électronique agrandie sur un scintillateur, tels que le sulfure de zinc ou le phosphore. L'image peut être enregistrée photographiquement par l'exposition d'un film ou une plaque photographique directement sur le faisceau d'électrons ou une plaque phosphorée à haute résolution peut être couplée au moyen d'un système optique ou d'une fibre optique vers le capteur d'une caméra CCD (Charge-Coupled Device). L'image détectée par le CCD peut être affichée sur un moniteur ou dirigée vers un ordinateur.
La résolution est limitée essentiellement par l'aberration sphérique, mais une nouvelle génération de correcteurs sphériques augmente la résolution. Le logiciel de correction de l'aberration sphérique pour le MET à haute résolution (HRTEM) a permis la production d'images avec une résolution suffisante pour montrer les atomes de carbone dans des diamants, séparés par seulement (89 picomètres) et les atomes de silicium à (78 picomètres)OÅM: World-Record Resolution at 0.78 Å, (28 mai 2001) Berkeley Lab Curr.. au grossissement de 50 millions de foisThe Scale of Things, DOE Office of Basic Energy Sciences (BES).. La capacité à déterminer la position des atomes dans des matériaux a fait de la HRTEM un outil important pour la recherche et de développement dans la nanotechnologie..
Microscope électronique à balayage
thumb|Image d'une fourmi par un microscope électronique à balayage.
À la différence du MET, où le faisceau d'électrons à haute tension porte l'image de l'échantillon, le faisceau d'électrons du microscope électronique à balayage (MEB, ou SEM en anglaisSCANNING ELECTRON MICROSCOPY 1928 - 1965) ne peut donner à aucun moment une image complète de l'échantillon. Le MEB produit des images par sondage de l'échantillon avec un faisceau d'électrons qui, concentré, est analysé sur une zone rectangulaire de l'échantillon (). Sur chaque point sur l'échantillon le faisceau d'électrons incident perd de l'énergie. Cette perte d'énergie est convertie en autres formes, comme la chaleur, l'émission d'électrons secondaires de basse énergie, l'émission de lumière (cathodoluminescence) ou l'émission de rayons X. L'afficheur du MEB représente l'intensité variable de l'un de ces signaux dans l'image, dans une position correspondant à la position du faisceau sur l'échantillon lorsque le signal a été généré. Dans l'image de la fourmi de droite, l'image a été construite à partir des signaux produits par un détecteur d'électrons secondaires, le mode d'imagerie conventionnelle normal de la plupart des MEB.
En règle générale, la résolution de l'image d'un MEB est d'environ un ordre de grandeur plus faible que celle d'un MET. Toutefois, parce que l'image du MEB repose sur les processus de surface plutôt que sur la transmission, il est en mesure de livrer des images d'objets de plusieurs centimètres avec une grande profondeur de champ, dépendant de la conception et du réglage de l'instrument, et il peut ainsi produire des images qui sont une bonne représentation en trois dimensions de la structure de l'échantillon.
Microscope électronique par réflexion Dans le microscope électronique par réflexion, comme dans le microscope électronique en transmission, un faisceau d'électrons est incident sur une surface mais, au lieu d'utiliser la transmission (MET) ou des électrons secondaires (MEB), c'est le faisceau réfléchi d'électrons, dispersés par élasticité, qui est détecté. Cette technique est généralement associée à la diffraction d'électrons de haute énergie en incidence rasante (RHEED en anglais) et la réflexion à haute énergie du spectre de perte (RHELS). Une autre variante est la Spin-Polarized Low-Energy Electron Microscopy (SPLEEM), qui est utilisée pour regarder la microstructure de domaines magnétiques National Center for Electron Microscopy : SPLEEM..
Microscope électronique en transmission à balayage
Le microscope électronique en transmission à balayage (MEBT, ou STEM pour ) est un type de modèle dont le principe de fonctionnement allie certains aspects du microscope électronique à balayage et du microscope électronique en transmission. Une source d'électrons focalise un faisceau d'électrons qui traverse l'échantillon. Un système de lentilles magnétiques permet à ce faisceau de balayer la surface de l'échantillon à analyser.
Préparation des échantillons thumb|Un insecte recouvert d'or avant d'être examiné avec un microscope électronique à balayage.
Les matériaux appelés à être regardés sous un microscope électronique peuvent nécessiter un traitement afin de produire un échantillon approprié. La technique requise varie selon le modèle et l'analyse requise. Fixation chimique pour les spécimens biologiques visant à stabiliser la structure macromoléculaire mobile du spécimen par réticulation chimique des protéines avec des aldéhydes tels que le formaldéhyde et le glutaraldéhyde, et les lipides avec le tétroxyde d'osmium. Cryofixation - gel rapide du spécimen, à la température de l'azote liquide voire de l'hélium liquide, afin que l'eau forme de la glace vitreuse (non cristalline). Cela préserve le spécimen dans un état instantané de sa solution. Tout un champ appelé cryo-microscopie électronique est dérivé de cette technique. Avec le développement de la cryo-microscopie électronique de sections vitreuses (CEMOVIS), il est maintenant possible d'observer des échantillons de pratiquement tous les spécimens biologiques dans un état proche de leur état naturel. Déshydration - lyophilisation, ou remplacement de l'eau par des solvants organiques comme l'éthanol ou l'acétone, suivi de la phase critique de séchage ou d'infiltration de résines d'enrobage. Intégration des spécimens biologiques : après la déshydratation des tissus pour l'observation dans le microscope électronique à transmission, le spécimen est intégré, c'est-à-dire sectionné. Pour ce faire, le tissu est passé au travers de « solvants de transition », tels que le propane et l'époxy puis infiltré avec une résine, telle que la résine époxy Araldite ; les tissus peuvent également être intégrés directement dans l'eau avec de la résine acrylique. Après la polymérisation (durcissement) de la résine, l'échantillon est sectionné en minces tranches et coloré ; il est alors prêt pour l'observation. Intégration des matériaux : après incorporation dans la résine, le spécimen est habituellement poli avec un fini de type miroir en utilisant des produits abrasifs ultra-fins. Le processus de polissage doit être effectué avec soin afin de minimiser les rayures et autres artefacts dus au polissage, qui réduisent la qualité de l'image. Sectionnement : on produit de fines tranches du spécimen, semi-transparentes aux électrons. Celles-ci peuvent être coupées avec un ultramicrotome au tranchant de diamant, pour produire des tranches sur 60-90 nm d'épaisseur. Des tranchants jetables en verre sont également utilisés car ils peuvent être réalisés en laboratoire et sont beaucoup moins chers.