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Institut national de nanotechnologie

Notre recherche

Aperçu de la microscopie électronique

Introduction

La microscopie électronique a pour but ultime de déterminer la position de chaque atome dans un matériau, son état chimique et la densité électronique d’une région donnée, et ce, dans chacune des trois dimensions. Cela n’est pas encore possible et, dans de nombreux cas, une analyse aussi détaillée est sans intérêt.  Cependant, l’accès à des renseignements interprétables quantitativement à une échelle de longueur appropriée (en nanotechnologie, de ~0,1 nm à quelques centaines de nm) a un impact majeur sur la compréhension scientifique ainsi que la création de nouveaux nanomatériaux et le développement de leurs applications. La microscopie électronique permet l’accès à de tels renseignements.

Une image en ME doit être vue comme une matrice de données quantitatives mesurées, et non comme une simple photographie. Les données, si elles sont traitées adéquatement, peuvent fournir de l’information quantitative. Les données recueillies à l’aide d’un appareil correctement caractérisé, bien compris, bien entretenu et que l’on fait fonctionner avec soin permettent une connaissance approfondie des problèmes de nature scientifique, ce qui peut mener à la création de nouveaux matériaux commerciaux et de nouvelles applications.

L’objectif du groupe de recherche en microscopie électronique (ME) est d’acquérir et de conserver une réputation et un leadership mondiaux dans les domaines de la microscopie électronique qui intéressent la communauté de recherche et les partenaires industriels de l’INN. En outre, le groupe ME doit continuellement attirer une grande variété de collaborateurs multidisciplinaires externes afin de devenir la plaque tournante des activités de recherche en ME. Pour l’aider à atteindre cet objectif, le groupe ME de l’INN possède une expertise et des instruments de pointe dans le domaine de la microscopie électronique.

Stratégie

Nos recherches portent sur les aspects de la microscopie électronique qui constituent des occasions uniques pour l’INN. Nous débutons avec des instruments très polyvalents présentant beaucoup de caractéristiques uniques et nous investissons des efforts intellectuels importants dans l’élaboration de nouvelles techniques et la compréhension des principes physiques des expériences du groupe ME.

En plus de posséder des caractéristiques uniques, nos instruments de ME sont conçus pour assurer la qualité des analyses de routine.

Nos installations et nos instruments

Le laboratoire de microscopie électronique de l’INN sera logé dans un espace « hyper-tranquille » du bâtiment construit spécialement à cet effet. Outre la préparation d’échantillons et le soutien en informatique et en traitement des données, ce laboratoire comprend deux microscopes électroniques à transmission (MET) et deux microscopes électroniques à balayage (MEB). Les microscopes électroniques à transmission se situent dans une salle de caractérisation où l’on trouve un niveau extrêmement faible de perturbations électromagnétiques, de variations de température et de vibrations mécaniques.

Domaines de recherche

Spectroscopie quantitative de perte d’énergie d’électrons

Les électrons primaires diffusés de façon inélastique par un échantillon contiennent une mine de renseignements encodés dans les spectres de perte d’énergie. La nature très localisée de bon nombre de ces interactions, combinée à la capacité de positionner la sonde électronique avec une précision de moins de 0,2 nm, garantit une haute résolution spatiale lors des mesures.

Parmi les nombreux renseignements fournis par la spectroscopie de perte d’énergie d’électrons, l’INN se concentre sur la perte d’énergie correspondant aux seuils d’ionisation, laquelle fournit de l’information quantitative sur la composition chimique (à partir de l’intensité des seuils) et les liaisons chimiques d’une région (structure fine à l’amorce du seuil - ELNES). L’interprétation de l’ELNES repose souvent sur la caractérisation (comparaison avec le spectre de matériaux connus). Notre groupe ME s’affaire à améliorer l’interprétation du signal ELNES. Nous travaillons également sur des techniques qui tirent profit de la dépendance de la structure fine envers l’orientation cristallographique afin d’obtenir et d’interpréter des renseignements détaillés sur les matériaux étudiés.

Des recherches sur la spectroscopie de perte d’électrons à ultra-haute résolution en énergie (inférieure à 0,1 eV) sont menées dans une plus faible mesure. Dans le cas des expériences qui nécessitent une ultra-haute résolution en énergie, nous collaborons avec le groupe du professeur Botton, de l’université McMaster, afin d’utiliser leur MET à lumière monochromatique.

Interférométrie électronique (IE)

Les nouveaux et très stables MET dotés d’une source d’électrons de haute luminosité permettent d’étudier les phénomènes quantiques produits par les électrons. Ces phénomènes sont intéressants d’un point de vue scientifique, mais les applications pratiques proviendront sans doute de la capacité à mesurer quantitativement l’amplitude et la phase d’une onde d’électrons. La mesure de l’amplitude et de la phase d’une onde d’électrons nous permet de recueillir des renseignements complets sur les interactions élastiques entre le faisceau et l’échantillon. L’IE rend possible la mesure quantitative des potentiels électrostatique et magnétique à une résolution qu’aucune autre technique ne permet d’atteindre. En outre, l’IE est susceptible de réduire la quantité d’échantillon nécessaire à l’imagerie, ce qui constitue un avantage important dans le cas des matériaux sensibles aux rayonnements, par exemple les nanostructures organiques et les catalyseurs.

Microscopie électronique à balayage (MEB)

La caractérisation par MEB est une technique généralement qualitative. Dans la plupart des cas, on ne peut comparer deux images de façon quantitative, même si elles ont été prises lors de la même séance. Seules quelques techniques (EDX, EBSD) permettent de prendre des mesures semi-quantitatives. L’objectif des recherches sur la MEB à l’INN est de tenter la caractérisation semi-quantitative par MEB.

Conseil national de recherches Canada-National Research Council
Date de publication : 2002-09-30
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