Un approvisionnement énergétique climatiquement neutre nécessite une grande variété de matériaux pour les processus de conversion d’énergie, par exemple des matériaux catalytiquement actifs et de nouvelles électrodes pour batteries. Beaucoup de ces matériaux ont des nanostructures qui augmentent leur fonctionnalité. Lors de l’étude de ces échantillons, les mesures spectroscopiques pour détecter les propriétés chimiques sont idéalement combinées avec l’imagerie par rayons X à haute résolution spatiale à l’échelle nanométrique.
Cependant, étant donné que 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 dite des photons tendres, un problème majeur se posait jusqu’à présent.
En effet, dans cette gamme d’énergie « tendre » entre les rayons X mous et durs, les optiques à rayons X conventionnelles des monochromateurs à réseau plan ou à cristal ne délivrent que des rendements très faibles. Une équipe de HZB a maintenant résolu ce problème : « Nous avons développé une nouvelle optique monochromateur. Cette optique est basée sur un réseau en dents de scie à revêtement multicouche adapté avec un miroir plan », explique Frank Siewert du département Optique et lignes de faisceau de HZB.
Le nouveau concept de monochromateur augmente le flux de photons dans la gamme des rayons X sensibles d’un facteur 100 et permet ainsi pour la première fois des mesures spectromicroscopiques très sensibles avec des résolutions élevées.
« En peu de temps, nous avons pu collecter des données de spectromicroscopie NEXAFS à l’échelle nanométrique. Nous l’avons démontré sur des nanoparticules catalytiquement actives et des structures de micropuces modernes », explique Stephan Werner, premier auteur de la publication. « Le nouveau développement permet désormais des expériences qui auraient autrement nécessité des mois de collecte de données », souligne Werner.
« Ce monochromateur deviendra la méthode de choix pour l’imagerie dans cette gamme d’énergie de 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 à HZB. Il s’attend à des effets énormes sur de nombreux domaines de la recherche sur les matériaux : des 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 climatiquement neutres pour l’approvisionnement en électricité et en énergie.
L’article est publié dans la revue Petites méthodes.
Plus d’information:
Stephan Werner et al, Spectromicroscopie de matériaux à l’échelle nanométrique dans le régime de rayons X tendre activé par un monochromateur à réseau multicouche à haute efficacité, Petites méthodes (2022). DOI : 10.1002/smtd.202201382