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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7271 (2023) Citare questo articolo

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La mappatura della fluorescenza a raggi X (XRF) è una tecnica altamente efficiente e non invasiva per quantificare la composizione del materiale con risoluzioni spaziali su scala micro e nanometrica. L’analisi XRF quantitativa, tuttavia, deve affrontare le sfide poste dal problema di lunga data chiamato autoassorbimento. Inoltre, correggere i set di dati di mappatura XRF bidimensionali è particolarmente difficile perché è un problema inverso mal posto. Qui riportiamo un metodo semi-empirico che può correggere efficacemente i dati di mappatura XRF 2D. L'errore di correzione è generalmente inferiore al 10% da una valutazione completa della precisione in varie configurazioni. Il metodo proposto è stato applicato per quantificare la distribuzione della composizione attorno ai bordi dei grani in un campione di acciaio inossidabile corroso elettrochimicamente. Intorno ai siti delle cricche è stato riscontrato un arricchimento di Cr altamente localizzato, che era invisibile prima della correzione dell'assorbimento.

La mappatura della fluorescenza a raggi X (XRF) è una misurazione diretta e non invasiva della composizione del materiale1,2. I recenti progressi nelle sorgenti luminose di sincrotrone e nei microscopi a raggi X hanno migliorato significativamente la risoluzione spaziale XRF (~ 10 nm)3 e la sensibilità di rilevamento4. Negli ultimi decenni, le ampie applicazioni della mappatura XRF nella ricerca sui materiali5,6, nelle scienze ambientali7 e nella biologia8,9 hanno portato enormi richieste nell’analisi quantitativa della distribuzione degli elementi. Nella ricerca biologica o ambientale, quantificare la concentrazione dei componenti tossici nelle cellule o nelle piante può fornire conoscenze fondamentali per comprenderne la biotossicità e le vie di trasporto10. Nella scienza dei materiali, la caratterizzazione precisa dell'eterogeneità della composizione è un prerequisito per comprendere le proprietà associate. La messa a punto della composizione (di Ni, Mn e Co) e della sua microstruttura (concentrazione del gradiente, nucleo-involucro, ecc.) nella ricerca sulle batterie agli ioni di litio può migliorare significativamente la stabilità strutturale del materiale del catodo (LiNiMnCoO2) e aumentare la prestazioni della batteria11. Tuttavia, è difficile quantificare in modo affidabile una composizione risolta spazialmente e stabilire il collegamento che collega la microstruttura e il comportamento elettrochimico. La microscopia elettronica, nonostante la sua risoluzione atomica e le molteplici capacità di rilevamento come gli spettri fluorescenti e di perdita di energia degli elettroni12, è eccellente per campioni piccoli ma non è adatta per analisi statistiche e ad alta produttività su campioni di grandi dimensioni (ad esempio > 1 µm). D’altra parte, l’XRF basato sul sincrotrone può acquisire immagini di campioni di grandi dimensioni fino a centinaia di micrometri, ma il problema dell’”autoassorbimento” ostacola essenzialmente l’analisi completamente quantitativa. L'emissione fluorescente degli elementi può essere soggetta ad un assorbimento significativo, in particolare per materiali con elevata densità di massa o densità elettronica. Come mostrato in Fig. 1a, l'esatta quantità di assorbimento è governata dalla geometria del campione. Una soluzione completa alla correzione dell'autoassorbimento richiede la conoscenza dei dettagli geometrici del campione e l'esatta quantità di attenuazione rilevata.

Geometria di assorbimento per la scansione della mappatura XRF. (a) Una regione locale di un campione illuminata da un fascio di raggi X focalizzato produce un'emissione di fluorescenza in tutte le direzioni. Una parte dei fotoni di fluorescenza emessi viene raccolta da un rilevatore. L'area ombreggiata in arancione indica il volume del campione responsabile dell'attenuazione dei segnali XRF rilevati. (b) Rappresentazione dei voxel illuminati dal fascio di raggi X di incidenza nella posizione p e rilevamento dei fotoni di fluorescenza da parte del rilevatore attraverso il volume del campione. Voxel q rappresenta un volume locale del campione che contribuisce all'assorbimento dei fotoni di fluorescenza. (c) la descrizione angolare tra l'emettitore dei fotoni di fluorescenza lungo il percorso del fascio e un voxel arbitrario all'interno del campione responsabile dell'assorbimento.