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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7271 (2023) Citer cet article

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La cartographie par fluorescence X (XRF) est une technique très efficace et non invasive pour quantifier la composition des matériaux avec des résolutions spatiales micro et nanométriques. L’analyse XRF quantitative est cependant confrontée aux défis liés au problème de longue date appelé auto-absorption. De plus, la correction d’ensembles de données cartographiques XRF bidimensionnels est particulièrement difficile car il s’agit d’un problème inverse mal posé. Nous rapportons ici une méthode semi-empirique capable de corriger efficacement les données de cartographie XRF 2D. L'erreur de correction est généralement inférieure à 10 % à partir d'une évaluation complète de la précision dans diverses configurations. La méthode proposée a été appliquée pour quantifier la distribution de la composition autour des joints de grains dans un échantillon d'acier inoxydable corrodé électrochimiquement. Un enrichissement en Cr très localisé a été trouvé autour des sites de fissures, invisible avant la correction de l'absorption.

La cartographie par fluorescence X (XRF) est une mesure non invasive et directe de la composition des matériaux1,2. Les progrès récents en matière de sources synchrotron lumineuses et de microscopes à rayons X ont considérablement amélioré la résolution spatiale XRF (~ 10 nm)3 et la sensibilité de détection4. Au cours des dernières décennies, les larges applications de la cartographie XRF dans la recherche sur les matériaux5,6, les sciences de l'environnement7 et la biologie8,9 ont entraîné des demandes massives en matière d'analyse quantitative de la distribution des éléments. Dans la recherche biologique ou environnementale, la quantification de la concentration des composants toxiques dans les cellules ou les plantes peut fournir des connaissances essentielles pour comprendre leur biotoxicité et leurs voies de transport10. En science des matériaux, la caractérisation précise de l’hétérogénéité de la composition est une condition préalable à la compréhension des propriétés associées. Affiner la composition (de Ni, Mn et Co) et sa microstructure (gradient de concentration, noyau-coquille, etc.) dans la recherche sur les batteries Li-ion peut améliorer considérablement la stabilité structurelle du matériau cathodique (LiNiMnCoO2) et augmenter la performances de la batterie11. Cependant, il est difficile de quantifier de manière fiable une composition résolue spatialement et d’établir le lien entre la microstructure et le comportement électrochimique. La microscopie électronique, malgré sa résolution atomique et ses multiples capacités de détection telles que les spectres de fluorescence et de perte d'énergie électronique12, est excellente pour les petits échantillons mais ne convient pas à l'analyse statistique à haut débit sur de grands échantillons (par exemple > 1 µm). D’un autre côté, le XRF basé sur le synchrotron peut imager de grands échantillons allant jusqu’à des centaines de micromètres, mais le problème de « l’auto-absorption » entrave essentiellement l’analyse entièrement quantitative. L'émission fluorescente des éléments peut être soumise à une absorption importante, en particulier pour les matériaux à forte densité massique ou électronique. Comme le montre la figure 1a, la quantité exacte d'absorption est régie par la géométrie de l'échantillon. Une solution complète à la correction d’auto-absorption nécessite la connaissance des détails géométriques de l’échantillon et de la quantité précise d’atténuation détectée.

Géométrie d'absorption pour la numérisation de la cartographie XRF. (a) Une région locale d'un échantillon éclairée par un faisceau de rayons X focalisé produit une émission de fluorescence dans toutes les directions. Une partie des photons de fluorescence émis est collectée par un détecteur. La zone ombrée en orange indique le volume d'échantillon responsable de l'atténuation des signaux XRF détectés. (b) Représentation des voxels éclairés par le faisceau de rayons X d'incidence à l'emplacement p et détection des photons de fluorescence par le détecteur à travers le volume de l'échantillon. Le voxel q représente un volume local de l'échantillon contribuant à l'absorption des photons de fluorescence. (c) la description angulaire entre l'émetteur des photons de fluorescence le long du trajet du faisceau et un voxel arbitraire dans l'échantillon responsable de l'absorption.