Nouvelles optiques de monochromateurs pour les rayons X tendres
Mesures spectromicroscopiques de haute précision de systèmes nanostructurés
Jusqu'à présent, il était extrêmement fastidieux de réaliser des mesures avec une haute sensibilité et une haute résolution spatiale en utilisant la lumière des rayons X dans la gamme d'énergie tendre de 1,5 à 5,0 keV. Pourtant, cette lumière X est idéale pour étudier les matériaux énergétiques tels que les batteries ou les catalyseurs, mais aussi les systèmes biologiques. Une équipe du HZB a résolu ce problème : l'optique du monochromateur nouvellement développé augmente le flux de photons dans la gamme d'énergie tendre d'un facteur 100 et permet ainsi des mesures très précises des systèmes nanostructurés. La méthode a été testée avec succès pour la première fois sur des nanoparticules et des micropuces à activité catalytique.
© HZB / Small Methods 2022
Schéma du nouveau concept de monochromateur de la ligne de faisceau U41-PGM1 de BESSY-II, basé sur un réseau plan blazé multicouche et un miroir pour améliorer le flux de photons dans la gamme d'énergie des rayons X tendres (1.5 - 5.0 keV). L'encart montre une image TEM de la section transversale des structures de réseau blazé multicouche Cr/C. Pour une meilleure visualisation de la période du réseau, l'image a été compressée horizontalement 10 fois.
© HZB / Small Methods 2022
Un approvisionnement énergétique neutre sur le plan climatique nécessite une grande variété de matériaux pour les processus de conversion de l'énergie, par exemple des matériaux à activité catalytique et de nouvelles électrodes pour les batteries. Beaucoup de ces matériaux présentent des nanostructures qui augmentent leur fonctionnalité. Lors de l'étude de ces échantillons, les mesures spectroscopiques pour détecter les propriétés chimiques sont idéalement combinées à l'imagerie par rayons X avec une haute résolution spatiale à l'échelle nanométrique. Cependant, comme les éléments clés de ces matériaux, tels que le molybdène, le silicium ou le soufre, réagissent principalement aux rayons X dans la gamme d'énergie des photons dits "tendres", un problème majeur se posait jusqu'à présent.
En effet, dans cette gamme d'énergie "tendre" entre les rayons X mous et les rayons X durs, les optiques conventionnelles à rayons X, comme les réseaux plans ou les monochromateurs à cristaux, n'offrent que de très faibles rendements. Une équipe du HZB a maintenant résolu ce problème : "Nous avons développé de nouvelles optiques de monochromateurs. Ces optiques sont basées sur un réseau en dents de scie adapté, à revêtement multicouche, avec un miroir plan", explique Frank Siewert du département Optique et lignes de faisceaux de HZB. Le nouveau concept de monochromateur augmente d'un facteur 100 le flux de photons dans le domaine des rayons X tendres et permet ainsi, pour la première fois, de réaliser des mesures spectromicroscopiques très sensibles à haute résolution. "En peu de temps, nous avons pu recueillir des données de spectromicroscopie NEXAFS à l'échelle nanométrique. Nous en avons fait la démonstration sur des nanoparticules à activité catalytique et des structures modernes de micropuces", explique Stephan Werner, premier auteur de la publication. "Ce nouveau développement permet désormais de réaliser des expériences qui, autrement, auraient nécessité des mois de collecte de données", souligne Stephan Werner.
"Ce monochromateur va devenir la méthode de choix pour l'imagerie dans cette gamme d'énergie des rayons X, non seulement dans les synchrotrons du monde entier, mais aussi dans les lasers à électrons libres et les sources de laboratoire", déclare Gerd Schneider, qui dirige le département de microscopie à rayons X du HZB. Il s'attend à des effets énormes sur de nombreux domaines de la recherche sur les matériaux : Les études dans le domaine des rayons X tendres pourraient faire progresser de manière significative le développement de matériaux énergétiques et contribuer ainsi à des solutions neutres sur le plan climatique pour l'approvisionnement en électricité et en énergie.
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Publication originale
Stephan Werner, Peter Guttmann, Frank Siewert, Andrey Sokolov, Matthias Mast, Qiushi Huang, Yufei Feng, Tongzhou Li, Friedmar Senf, Rolf Follath, Zhohngquan Liao, Kristina Kutukova, Jian Zhang, Xinliang Feng, Zhan-Shan Wang, Ehrenfried Zschech, Gerd Schneider; Spectromicroscopy of nanoscale materials in the tender X-ray regime enabled by a high efficient multilayer-based grating monochromator; Small Methods (2022)
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