Cryo Microscopie électronique à balayage

Le laboratoire SC3M est équipé d’un Cryo Microscope Electronique à Balayage (Cryo MEB) Nano VP à effet de champ Zeiss GeminiSem 300 installé en 2019.
Ce microscope est capable de produire des images de très haute résolution (résolution ultime 0.7nm). 

Principe de la microscopie électronique à balayage

Un échantillon est balayé par un fin faisceau d’électrons issu du canon à électrons du microscope (faisceau incident). Des lentilles électromagnétiques permettent de focaliser le faisceau d’électrons sur l’échantillon.
L’interaction entre les électrons du faisceau incident et l’échantillon peut provoquer plusieurs types de collisions, générant des particules collectées par les détecteurs du microscope.
Le Cryo MEB GeminiSem 300 du laboratoire SC3M est équipé de plusieurs détecteurs. Il est également équiper d'éléments complémentaires qui vont être détaillés ci-dessous. 

Lors de l’interaction entre les électrons du faisceau incident et les atomes de l’échantillon, un électron de l’échantillon peut être "éjecté". Cet électron est appelé "électron secondaire" (Figure 1). Ces électrons de faible énergie proviennent des couches superficielles de l'échantillon. Ils sont recueillis par les détecteurs spécifiques permettant de reconstruire une image en relief montrant la topographie de l’échantillon.
Le Cryo MEB GeminiSEM 300 est équipé de deux détecteurs d’électrons secondaires, un situé dans la chambre (détecteur Everhart-Thornley), donnant une vue de la structure globale de l’échantillon - Figure 2 et un situé dans la colonne (détecteur InLens) donnant une vue des détails de la surface - Figure 3. Les deux détecteurs fonctionnent en haut vide. Le détecteur InLens fonctionne également en vide partiel.

Figure 1	Figure 2	Figure 3

Les électrons rétrodiffusés sont des électrons du faisceau incident ayant réagi de façon élastique avec les atomes de l’échantillon. Ces électrons au contact de la matière subissent un changement de direction, ainsi qu’une perte d’énergie (Figure 4). Ces deux derniers paramètres sont fonction du numéro atomique des éléments de l’échantillon. Ce type d’électron permet de reconstruire une image donnant un aperçu de l’homogénéité chimique d’un échantillon (un élément lourd sera plus brillant qu'un léger) - Figure 5.
Le MEB GeminiSEM 300 est équipé d’un détecteur d’électrons rétrodiffusé rétractable, situé dans la chambre. Ce détecteur fonctionne aussi bien en haut vide, qu'en vide partiel.
 

Figure 4	Figure 5

Dans ce cas de figure, les échantillons sont extrêmement minces et peuvent être traversé par les électrons. Le détecteur STEM recueille ces électrons du faisceau incident transmis au travers de la matière. Le détecteur est insérable pour pouvoir se positionner sous l'échantillons (Figure 6). Ce détecteur permet d'obtenir le même genre de cliché qu'un microscope électronique à transmission (Figure 7).
Le MEB GeminiSEM 300 est équipé d’un détecteur STEM rétractable.

Figure 6	Figure 7

Le GeminiSEM 300 fonctionne en haut vide mais sera équipé de module nanoVP pour la pression variable. Le mode VP permet d'observer des échantillons non-conducteurs, ou humides sans préparation particulière
En mode NanoVP un diaphragme complémentaire est inséré (Figure 8) via un bras pneumatique sous la lentille finale pour créer un étage de pompage supplémentaire, afin de réduire au maximum chemin parcouru par les électrons dans le vide dégradé et d'ainsi limiter l'élargissement du faisceau.

Il y a plusieurs modes VP.
 

MODES	CHARACTERISTIQUES
VP	0 à 30Pa - détecteurs utilisables VPSE et BSE
Nano VP	5 à 150 Pa avec le diaphragme 350µm - détecteurs utilisables InLens, VPSE et BSE
XVP	150 à 500 Pa avec le diaphragme 350µm - détecteurs utilisables VPSE et BSE

Un détecteur d’électrons secondaires en vide partiel VPSE G4 (Figure 9).
Le détecteur collecte les photons générés par les collisions entre les électrons secondaires et les molécules de gaz pour former une image de topographie. Pour l'observation avec ce détecteur, les échantillons humides sont généralement maintenus à une température inferieure à zéro grâce à une platine Peltier (Figure 10) ajouté pour l'occasion dans le MEB. Il est ainsi possible d'observer certains type d'hydrogel par exemple (Figure 11)
 

Figure 10	Figure 11

Le système cryo de chez Quorum (Figure 12) permet d’observer des échantillons humides, liquides ou fragiles en s’affranchissant des étapes de fixation chimique, déshydration, ou point critique.
Les échantillons sont congelés dans de l’azote pâteux, puis ils sont introduits dans la chambre de préparation Quorum, (Figure 13) fracturés, sublimés (si besoin) et métallisés.

Figure 13

Ils sont alors introduits dans la chambre du MEB sur une platine refroidie à -140° (Figure 14) durant tout le temps d’observation.

Figure 14

Dans cette configuration, il est possible d’utiliser les détecteur SE, InLens et BSE classique pour l’observation. Cet outil est idéal pour des hydrogels à fort pourcentage d'eau (Figure 15 - Hydrogel d'alginate) ou des cellules (Figure 16).
 

Figure 15	Figure 16