Bombarder la matière avec des électrons et il se produit une série de réactions : déflexion des électrons primaires, production d’électrons secondaires arrachés à l’échantillon, production de rayons X. Ces phénomènes ne vont pas servir à former directement une image de l’objet comme c’est le cas pour les rayons lumineux dans les microscopes optiques. Ici, c’est le balayage point par point de la surface par le faisceau électronique qui donne des informations. En chacun d’eux, l’instrument mesure le nombre des électrons rétro diffusés, celui des électrons secondaires captés ou les longueurs d’onde des rayons X produits. La collecte va varier selon l’angle que forment les trajectoires de ces particules ou les rayons X avec la direction du faisceau, d’où l’impression de relief.

Les éléments d’un microscope électronique à balayage restent presque inchangés depuis les machines des années 1960.

© C. Reyraud

Les atomes de la surface sont bousculés par cette pluie d’électrons. Soit l’électron rebondit sur l’atome comme une bille sur un ballon (électron rétro diffusé), soit il excite l’atome en perturbant son nuage électronique. Dans ce dernier cas l’atome se désexcite en rejetant un électron. Lorsque celui-ci se retrouve à l’extérieur du matériau, c’est un « électron secondaire » qui est moins rapide et qui peut donc être capté à l’aide d’une sonde portée à un potentiel faiblement positif.
La quantité de ces électrons secondaires ne dépend que de l’angle d’incidence du faisceau : plus elle est rasante, plus le volume excité est grand, donc plus la production est importante. D’où l’effet de contraste topographique : les pentes bien orientées par rapport au détecteur paraissent plus lumineuses alors que celles qui envoient leurs électrons secondaires du côté opposé à celui du détecteur paraissent sombres.

Le diamètre de cette zone de réémission donne la résolution du microscope, au minimum, celui du diamètre du faisceau : 10 nm.

En revanche, les électrons rétro diffusés proviennent d’un volume plus important : les électrons primaires traversent plusieurs couches atomiques avant de rebondir. Cette fois, la nature chimique du matériau influence leur nombre car plus l’atome est lourd, plus grand est son nombre de charges et plus difficile est l’absorption de l’électron. La définition est donc plus faible (100 nm), mais le contraste est chimique.

Un écran disposé de façon à recueillir ces électrons rétro diffusés sur un plan particulier donnera une image de diffraction plus ou moins géométrique qui donne la distance entre les plans atomiques.
Les rayons X émis par les atomes portent une information chimique : le spectre de leurs longueurs d’onde comporte des raies brillantes et sombres qui forment comme un « code barre » permettant de reconnaître la présence de certains atomes.