Percée Argonne : Nanotomographie X-ray atteint résolution sans précédent

C'est une vérité depuis longtemps : si vous voulez étudier le mouvement et le comportement d'atomes uniques, la microscopie électronique peut vous donner ce que les rayons X ne peuvent pas. Les rayons X sont bons pour pénétrer dans les échantillons — ils vous permettent de voir ce qui se passe à l'intérieur des batteries pendant qu'elles se chargent et déchargent, par exemple — mais historiquement ils n'ont pas pu imager spatialement avec la même précision que les électrons.

Mais les scientifiques travaillent à améliorer la résolution d'image des techniques aux rayons X. Une telle méthode est la tomographie aux rayons X, qui permet l'imagerie non-invasive de l'intérieur des matériaux. Si vous voulez cartographier les complexités d'un microcircuit, par exemple, ou tracer les neurones dans un cerveau sans détruire le matériau que vous regardez, vous avez besoin de tomographie aux rayons X, et meilleure est la résolution, plus petits sont les phénomènes que vous pouvez tracer avec le faisceau de rayons X.

Nouvelle méthode : microscope haute résolution + algorithmes correction dérive/déformation

Dans ce but, un groupe de scientifiques mené par le Laboratoire National Argonne du Département de l'Énergie (DOE) a créé une nouvelle méthode pour améliorer la résolution de la nanotomographie aux rayons X durs. (La nanotomographie est l'imagerie aux rayons X à l'échelle des nanomètres. Pour comparaison, un cheveu humain moyen fait 100 000 nanomètres de large.) L'équipe a construit un microscope aux rayons X haute résolution utilisant les puissants faisceaux de la Source de Photons Avancée (APS) et créé de nouveaux algorithmes informatiques pour compenser les problèmes rencontrés aux échelles minuscules. En utilisant cette méthode, l'équipe a atteint une résolution en dessous de 10 nanomètres. Selon les chercheurs, ces optiques et algorithmes sont applicables à d'autres techniques aux rayons X aussi.

Microscope TXM interne + lentilles spéciales CNM

En utilisant le Microscope à Transmission Rayons X (TXM) interne à la ligne de faisceau 32-ID de l'APS — incluant des lentilles spéciales façonnées au Centre pour Matériaux Nanoscopiques (CNM) — l'équipe a pu utiliser les caractéristiques uniques des rayons X et atteindre des images 3D haute résolution en environ une heure. Mais même ces images n'étaient pas tout à fait à la résolution désirée, donc l'équipe a conçu une nouvelle technique pilotée par ordinateur pour les améliorer davantage.

Problèmes corrigés : dérive échantillon et déformation

Les problèmes principaux que l'équipe cherchait à corriger étaient la dérive d'échantillon et la déformation. À ces petites échelles, si l'échantillon bouge dans le faisceau, même de quelques nanomètres, ou si le faisceau de rayons X cause même le moindre changement dans l'échantillon lui-même, le résultat sera des artefacts de mouvement sur l'image 3D de l'échantillon. Cela peut rendre l'analyse subséquente beaucoup plus difficile.

Une dérive d'échantillon peut être causée par toutes sortes de choses à cette petite échelle, incluant changements de température. Pour effectuer la tomographie, les échantillons doivent aussi être rotés très précisément dans le faisceau, et cela peut mener à des erreurs de mouvement qui ressemblent à des dérives d'échantillon dans les données. Le nouvel algorithme d'Argonne travaille à éliminer ces problèmes, résultant en une image 3D plus nette et plus précise.

Tests : plaque 16 nm et dispositif stockage électrochimique

L'équipe a testé leur équipement et technique de plusieurs façons. Premièrement, ils ont capturé des images 2D et 3D d'une minuscule plaque avec des caractéristiques de 16 nanomètres de large fabriquée par Kenan Li, alors à Northwestern University et maintenant au Laboratoire National d'Accélérateur SLAC du DOE. Ils ont pu imager de minuscules défauts dans la structure de la plaque. Ils l'ont ensuite testé sur un dispositif réel de stockage d'énergie électrochimique, utilisant les rayons X pour regarder à l'intérieur et capturer des images haute résolution. Cependant, ils sentent qu'il y a encore de la place pour que cette technique s'améliore.

Perspectives : upgrade APS 500x plus brillant, visée 8 nm

Les capacités de cet instrument et technique s'amélioreront avec un effort continu de R&D sur optiques et détecteurs et bénéficieront de la mise à niveau en cours de l'APS. Quand complète, l'installation mise à niveau générera des faisceaux de rayons X haute énergie jusqu'à 500 fois plus brillants que ceux actuellement possibles, et d'autres avancées en optiques rayons X permettront des faisceaux encore plus étroits avec plus haute résolution. Après la mise à niveau, ils viseront huit nanomètres et en dessous, espérant que ce sera un outil puissant pour la recherche à des échelles de plus en plus petites.