Le microscope à rayons X devient trois fois plus précis express
Un faisceau de rayons X peut pénétrer à l'intérieur d'un morceau de métal opaque et révéler où se cachent des fissures ou des contraintes. Mais pour distinguer de tels défauts, il faut concentrer le faisceau en un pinceau très étroit, comme on concentre la lumière du soleil avec une loupe pour obtenir un point chaud. Dans un microscope à rayons X, la lentille joue le rôle de la loupe. Seulement, le verre ne convient pas pour les rayons X : ils le traversent sans presque se réfracter. C'est pourquoi les scientifiques fabriquent des lentilles à partir de nombreuses couches alternées de deux matériaux, le molybdène et le silicium. Chaque couche dévie le faisceau d'un angle minuscule, et ensemble elles le concentrent en un point.
Les auteurs de ces travaux ont installé dans le microscope à rayons X du synchrotron ESRF (à Grenoble, en France) non pas une, mais deux de ces lentilles stratifiées, tournées l'une par rapport à l'autre en croix. Chaque lentille focalise le faisceau dans une direction, et ensemble elles le rassemblent en une petite tache. La tache obtenue mesure 56 nanomètres, soit trois fois moins que ce que donnait l'ancienne lentille en plastique. Pour comparaison, le virus de la grippe a un diamètre d'environ 100 nanomètres, si bien que le nouveau microscope distingue des détails deux fois plus petits que le virus.
La nouvelle lentille laisse passer 26,7 % de la lumière des rayons X, ce qui est suffisant pour obtenir une image lumineuse et contrastée. Les scientifiques ont testé le microscope sur un pilier de silicium qui relie les couches d'un microprocesseur (ces piliers sont appelés TSV). Ils ont réussi à voir comment les atomes de silicium sont arrangés à l'intérieur du pilier et à repérer les endroits où le réseau cristallin est légèrement tourné. Ce sont précisément ces rotations qui annoncent souvent l'apparition de fissures, susceptibles de faire tomber le microprocesseur en panne.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2604.20309
We introduce the use of a crossed pair of Multilayer Laue Lenses (MLLs) as an objective in Dark-Field X-ray Microscopy (DFXM). In a demonstration experiment at the ID03 beamline at ESRF, two flat Mo-Si MLLs were used, with a physical aperture of 50 x 50 $$\mathrm{\mu m^2}$$ and a focal length of 14.25 mm at 19 keV. Applying a 10 % criterion to the Modulation Transfer Functions (MTFs) acquired, a spatial resolution of 56 nm is obtained in bright-field mode -- more than three times better than with a compound refractive lens (CRL) objective. The dark-field resolution is similar. With an efficiency of 26.7 % the MLL objective expands the science domain of DFXM significantly, both for bulk and near-surface studies. Similar to the CRL case, the reciprocal space resolution is dominated by the numerical aperture (NA) of the objective, with the NA being three times larger in the MLL case. This enables faster orientation mapping and implies improved options for the use of tomographic reconstruction algorithms. Although the MLL objective pupil varies with energy and position, secondary peaks are suppressed, simplifying both interpretation and forward simulations. We present an example DFXM application using the MLL as an objective, imaging a through-silicon via Kelvin device.
La nouvelle lentille est faite de couches alternées de molybdène et de silicium d'une épaisseur de seulement quelques nanomètres, soit une pile de milliers de feuilles de papier, mais chaque feuille est mille fois plus fine qu'un cheveu humain.