Dans ce mode, la détection des électrons se fait aux grands angles avec un détecteur HAADF (High Angle Annular Dark Field), fournissant une image dont le contraste est fonction du numéro atomique (région de Z élevé en clair sur l’image STEM-HAADF et inversement).
Les électrons sont produits par un canon à électrons situé au sommet de la colonne, puis accélérés à une tension stabilisée (typiquement comprise entre 80 kV et 300 kV) afin d’augmenter considérablement leur vitesse. Les électrons émis passent ensuite à travers un ensemble de lentilles électromagnétiques associées à des diaphragmes, appelé système condenseur, permettant de modifier le mode d’éclairement de l’échantillon (faisceau parallèle ou convergent). Le rôle de la lentille objectif est de focaliser les électrons sur l’échantillon, ses caractéristiques jouant un rôle déterminant sur la résolution offerte par l’instrument.
Un diaphragme placé à la sortie de l’échantillon, appelé diaphragme objectif ou de contraste, permet de sélectionner le faisceau transmis (champ clair ou bright field) ou un faisceau diffracté selon une direction particulière (champ sombre ou dark field). Un ensemble de lentilles électromagnétiques, constituant le système de projection, permet ensuite de transférer l’image de l’échantillon (ou le diagramme de diffraction) vers l’écran d’observation, lequel émet une lumière dans la gamme jaune-vert sous l’impact des électrons. L’acquisition d’images numériques est réalisée par une caméra CCD placée sous l’écran d’observation.
En interagissant avec l’échantillon, une partie des électrons perd de l’énergie. Cette perte d’énergie peut être exploitée pour réaliser des analyses chimiques, par spectrométrie de perte d’énergie (EELS) par exemple. Quant aux rayons X résultant de la désexcitation des atomes de l’échantillon, ils peuvent être analysés par spectrométrie X via un détecteur EDX.
Visualisation des différentes régions d'un échantillon en fonction de la densité électronique locale
Basée sur le contraste de diffusion, l'intensité des électrons diffusés dépend de la densité électronique locale de l’échantillon. Une zone sombre sur l’image en champ clair (BF) correspond à une région de l’échantillon diffusant plus fortement les électrons (Z élevé).
Caractérisation de la cristallinité d'un matériau, respect de la loi de Bragg
S'appuyant sur le contraste de diffraction, l'intensité des électrons diffractés est liée à l'orientation des plans atomiques et aux défauts cristallins (dislocations, inclusions…).