La spectrométrie X

Les techniques de spectrométrie X permettent d’effectuer des analyses élémentaires, chimiques, cristallines, structurelles et dynamiques d’une grande variété de matériaux, et répondent ainsi à des besoins très divers.

Ces techniques offrent une résolution spatiale exceptionnelle (jusqu’à quelques dizaines de nanomètres), mais peuvent aussi être utilisées pour créer et analyser des images de surfaces mesurant jusqu’à plusieurs mètres carrés. Leurs applications ne se limitent généralement pas à un état physiochimique en particulier (liquide, solide ou gazeux) et ne dépendent pas des autres facteurs environnementaux car les mesures peuvent être réalisées sous vide ou sous pression atmosphérique, dans des chambres spéciales, ou à l’aide de spectromètres optimisés qu’il est même possible de transporter sur le terrain.

Bref historique des progrès de ces techniques

Depuis les années 1970, le développement des capacités d’analyse des diverses techniques de spectrométrie X a principalement été favorisé par deux facteurs : la modernisation des instruments à rayons X, notamment des sources, détecteurs et dispositifs de focalisation, et la nécessité d’une caractérisation plus intégrée de matériaux hétérogènes complexes en 3D à des fins d’analyse. Ainsi, l’apparition des détecteurs à semi-conducteur et refroidissement liquide a permis de commencer progressivement à utiliser la fluorescence X pour l’analyse quantitative des éléments de divers types d’échantillons.

Au milieu des années 1990, la miniaturisation des composants et la modernisation des systèmes de refroidissement thermoélectrique ont rendu possibles les analyses sur le terrain et l’exploitation de cette technologie pour l’exploration planétaire. Dans le même temps, l’utilisation des sources de rayonnement synchrotron pour la caractérisation des matériaux s’est largement répandue, du fait des propriétés particulières du rayonnement synchrotron. Ces progrès ont à leur tour facilité la mise au point d’une multitude de méthodes avancées faisant appel à la spectrométrie X.

Aujourd’hui, des systèmes de détection intégrant de nombreuses séries de capteurs permettent d’utiliser des faisceaux d’excitation par rayons X micro-focalisés ou nano-focalisés, et contribuent ainsi dans une large mesure à améliorer l’efficacité des expériences menées en laboratoire ou faisant appel à des synchrotrons. Certains de ces rayons avoisinent la limite de diffraction, descendant jusqu’à une échelle de quelques dizaines de nanomètres.

Autres applications possibles

En dehors des systèmes de détection à dispersion d’énergie, la spectrométrie X de haute résolution peut être employée dans bien d’autres applications en lien avec la science des matériaux, la chimie, la physique de l’état solide (en particulier l’étude des transitions de phase), la chimie physique et les études relatives à la physique atomique fondamentale.

Les détecteurs cryogéniques de particules, qui fonctionnent à très basse température, et les spectromètres à cristal à courbure sphérique, présentent également de nombreux avantages. Les spectromètres à cristal de haute résolution associés à des détecteurs à localisation offrent par exemple la meilleure résolution en énergie possible dans la largeur de bande des rayons X. Ces spectromètres sont utilisés conjointement à des techniques spécialisées, telles que celles basées sur la diffusion inélastique résonante des rayons X et la diffusion Raman de rayons X, et fournissent des informations précieuses sur l’environnement chimique, la liaison des ligands et la délocalisation des électrons de valence, entre autres.

Depuis récemment, la tendance est à l’intégration de diverses techniques et méthodes liées à la spectrométrie X au sein d’un même laboratoire ou d’une même installation de synchrotron, le but étant de mettre à profit ces techniques et méthodes avec davantage d’efficacité dans diverses applications multidisciplinaires.

Par exemple, l’analyse par fluorescence X en incidence rasante associée aux techniques de réflectométrie X et d’absorption de rayons X permet de caractériser des matériaux hétérogènes micrométriques et nanométriques, tels que les batteries, les piles à combustible et les systèmes photovoltaïques. De même, la micro-fluorescence X en mode confocal associée à la transmission de rayons X et à la microtomographie à fluorescence X peut servir à l’étude de la répartition et de la structure élémentaires d’une large gamme de matériaux hétérogènes en 3D. Ces techniques revêtent une importance majeure dans les domaines de la biologie, de l’analyse d’objets du patrimoine culturel et de la géologie.