Imagerie à haute vitesse des micropuces
Une nouvelle méthode permet d'effectuer des balayages rapides par rayons X de grands objets avec une résolution nanométrique
Une nouvelle méthode accélère l'imagerie par rayons X d'échantillons étendus comme les micropuces. Cette technique innovante permet d'étudier des objets relativement grands jusqu'à des détails nanométriques en un temps raisonnable. C'est intéressant non seulement pour la science, mais aussi pour l'industrie, comme l'écrit l'équipe de développeurs dirigée par le scientifique de DESY Mikhail Lyubomirskiy dans la revue Scientific Reports.
Balayage multi-faisceaux d'une micro-puce. La zone imagée est d'environ 80 par 80 micromètres (millièmes de millimètre). La résolution est de 95 nanomètres (millionièmes de millimètre).
DESY, Mikhail Lyubomirskiy
"Les rayons X ont le pouvoir de révéler des détails extrêmement petits", explique M. Lyubomirskiy. "Cependant, l'imagerie par rayons X n'est pas aussi simple que la photographie avec un appareil optique". Il n'existe pas de lentilles et de caméras disponibles dans le commerce pour les rayons X. À la place, les scientifiques utilisent souvent une technique appelée ptychographie. Elle fonctionne sans lentilles d'imagerie en balayant l'échantillon par petites étapes et en enregistrant la façon dont les rayons X sont diffractés (diffusés) par celui-ci. La ptychographie permet d'atteindre la plus haute résolution possible, mais la taille des pas lors du balayage doit être inférieure au diamètre du faisceau de rayons X, ce qui entraîne un grand nombre de pas sur un échantillon étendu.
Cela limite souvent la taille de l'échantillon à l'échelle du micromètre, pour des raisons pratiques. Un micromètre est un millième de millimètre. De nombreux objets d'intérêt pour la science et l'industrie sont beaucoup plus grands, par exemple à l'échelle du millimètre, comme une micropuce. En utilisant la ligne de faisceau P06 de la source de rayons X PETRA III de DESY, l'équipe de Lyubomirskiy a trouvé une solution apparemment évidente au problème de vitesse : utiliser plus d'un faisceau pour enregistrer plusieurs motifs en même temps. Mais pour ce faire, les scientifiques ont dû surmonter un obstacle majeur : comment discerner les motifs de diffraction des différents faisceaux ?
"Nous avons mis au point un système dans lequel l'identité de chaque faisceau est codée dans sa phase et sa forme uniques", explique M. Lyubomirskiy. Comme une onde lumineuse, les rayons X oscillent pendant leur trajet. La position de cette oscillation périodique à un certain moment ou à un certain endroit s'appelle la phase. Les scientifiques ont fait en sorte que chaque faisceau de rayons X arrive sur l'échantillon avec une structure et une forme de phase différentes. Malheureusement, les détecteurs de rayons X n'enregistrent pas directement la phase d'une onde qui les atteint. Mais en ptychographie, les caractéristiques de l'image diffusée dépendent de la structure de phase que présente le faisceau de rayons X lorsqu'il atteint l'échantillon. Grâce à des calculs mathématiques astucieux, les chercheurs peuvent discerner les différentes contributions au diagramme de diffraction des faisceaux de rayons X à structure de phase correspondante.
Ce système innovant accélère considérablement l'imagerie. "En substance, deux fois plus de faisceaux divisent par deux le temps nécessaire", explique le physicien de DESY. "Pour la démonstration, nous avons scanné une micropuce avec trois faisceaux, ce qui a pris environ un tiers du temps habituel." Pour une surface de 80 par 80 micromètres, le balayage à trois faisceaux a nécessité une heure et quart. L'image obtenue a une résolution de 95 nanomètres (millionièmes de millimètre). "Dans une expérience ultérieure, nous avons déjà utilisé six faisceaux, et la méthode peut également être étendue à neuf, voire douze faisceaux", explique M. Lyubomirskiy.
"La nécessité d'imager rapidement de grands échantillons avec la plus haute résolution spatiale existe dans de nombreux domaines de la science et de l'industrie et augmentera avec les besoins futurs en matière de conception des matériaux", écrivent les auteurs. Ils s'attendent à ce que la ptychographie multifaisceaux soit utile pour l'imagerie rapide de haute qualité dans de nombreuses applications. Par exemple, dans la recherche catalytique, les auteurs et leurs collaborateurs ont récemment reçu 1,2 million d'euros pour quatre ans de financement de la recherche de la part du Röntgen Ångström Cluster (RÅC), une collaboration scientifique suédo-allemande. Ils établiront un cadre pour la microscopie operando des réactions catalytiques à PETRA III et MAX IV.
Des scientifiques du Center for X-ray and Nano Science CXNS à DESY, de l'Universität Hamburg, du Lawrence Berkeley National Laboratory, du laboratoire MAX IV de l'université de Lund, du Paul-Scherrer-Institut (PSI) en Suisse, du GSI Helmholtz Zentrum für Schwerionenforschung GmbH, de XRnanotech GmbH et de la Helmholtz Imaging Platform ont participé à cette recherche.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Multi‐beam X‐ray ptychography using coded probes for rapid non‐destructive high resolution imaging of extended samples; Mikhail Lyubomirskiy, Felix Wittwer, Maik Kahnt, Frieder Koch, Adam Kubec, Ken Vidar Falch, Jan Garrevoet, Martin Seyrich, Christian David & Christian G. Schroer; „Scientific Reports“, 2022
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