Matériaux cristallins : une imagerie à cadence accélérée

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Une nouvelle microscopie aux rayons X, tridimensionnelle, quantitative et à haute résolution pour explorer les nanostructures cristallines

La compréhension de la croissance des coquillages, le contrôle des propriétés optiques des semi-conducteurs ou encore l’amélioration des performances électriques des métaux sont autant de problématiques nécessitant de connaître les propriétés fines des cristaux. Les rayons X permettent de sonder l’intérieur d’un cristal mais produire une image 3D, résolue à l’échelle nanométrique et porteuse d’une information quantitative (par exemple les déformations cristallines) reste extrêmement difficile, en raison de l’inefficacité des lentilles pour ces longueurs d’onde.
La nouvelle approche développée par une équipe franco-américaine et publiée dans la revue Nature Materials simplifie et accélère considérablement cette procédure.

Ces dernières années, une microscopie X dite sans lentille a émergé : dans cette approche, les lentilles qui sont habituellement utilisées dans un dispositif optique pour produire une image sont remplacées par des algorithmes informatiques. Jusqu’à récemment, ces méthodes impliquaient que la taille de l’échantillon soit inférieure à quelques micromètres. Ce verrou a été levé en 2011 par l’équipe de Virginie Chamard à l’Institut Fresnel en démontrant la possibilité d’étendre arbitrairement la taille de l’échantillon sans dégrader la résolution. Cette microscopie, appelée ptychographie de Bragg, restait néanmoins extrêmement difficile à généraliser, en raison du temps d’acquisition prohibitif qu’elle nécessitait et des contraintes mécaniques qu’elle imposait sur le dispositif de mesure.

Ce sont ces deux limites que des chercheurs de l’Institut Fresnel et de l’Argonne National Laboratory aux Etats-Unis viennent de lever. La nouvelle approche, appelée ptychographie de Bragg retro-projetée, est une méthode
d’imagerie tridimensionnelle hybride : deux dimensions proviennent du signal diffracté et une dimension est
obtenue à partir d’un balayage spatial. Cette microscopie marque un tournant conceptuel dans l’imagerie aux rayons X des matériaux cristallins. La diminution de la durée totale de la mesure, de l’ordre d’un facteur 100, et la simplification de la géométrie doivent permettre l’exploration, impossible jusqu’à récemment, de matériaux cristallins complexes, relevant de domaines aussi variés que les sciences du vivant ou la microélectronique.

Reference :
S. O. Hruszkewycz, M. Allain, M. V. Holt, C. E. Murray, J. R. Holt, P. H. Fuoss and V. Chamard, High-resolution three-dimensional structural microscopy by single-angle Bragg ptychography,Nature Materials 15, Décembre 2016.

Contact :
- Virginie Chamard, Institut Fresnel, Equipe Comix

- S. O. Hruszkewycz, Argonne National Laboratory, USA