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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7271 (2023) Citar este artigo

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O mapeamento de fluorescência de raios X (XRF) é uma técnica altamente eficiente e não invasiva para quantificar a composição de materiais com resoluções espaciais em micro e nanoescala. A análise quantitativa por XRF, no entanto, enfrenta desafios do problema duradouro chamado autoabsorção. Além disso, corrigir conjuntos de dados de mapeamento XRF bidimensionais é particularmente difícil porque é um problema inverso mal colocado. Aqui relatamos um método semi-empírico que pode corrigir efetivamente dados de mapeamento XRF 2D. O erro de correção é geralmente inferior a 10% a partir de uma avaliação abrangente da precisão em várias configurações. O método proposto foi aplicado para quantificar a distribuição da composição em torno dos limites dos grãos em uma amostra de aço inoxidável corroída eletroquimicamente. Enriquecimento de Cr altamente localizado foi encontrado ao redor dos locais das fissuras, que era invisível antes da correção de absorção.

O mapeamento por fluorescência de raios X (XRF) é uma medição não invasiva e direta da composição do material1,2. Os recentes avanços em fontes síncrotron brilhantes e microscópios de raios X melhoraram significativamente a resolução espacial XRF (~ 10 nm)3 e a sensibilidade de detecção4. Nas últimas décadas, amplas aplicações do mapeamento XRF na pesquisa de materiais5,6, ciências ambientais7 e biologia8,9 trouxeram enormes demandas na análise quantitativa da distribuição elementar. Na investigação biológica ou ambiental, a quantificação da concentração dos componentes tóxicos nas células ou plantas pode fornecer conhecimentos críticos para compreender a sua biotoxicidade e vias de transporte10. Na ciência dos materiais, a caracterização precisa da heterogeneidade da composição é um pré-requisito para a compreensão das propriedades associadas. O ajuste fino da composição (de Ni, Mn e Co) e sua microestrutura (concentração de gradiente, núcleo-casca, etc.) na pesquisa de baterias de íons de lítio pode melhorar significativamente a estabilidade estrutural do material catódico (LiNiMnCoO2) e aumentar o desempenho da bateria11. No entanto, é um desafio quantificar de forma confiável uma composição espacialmente resolvida e estabelecer a ligação entre a microestrutura e o comportamento eletroquímico. A microscopia eletrônica, apesar de sua resolução atômica e múltiplas capacidades de detecção, como espectros de fluorescência e perda de energia eletrônica, é excelente para amostras pequenas, mas não é adequada para análises estatísticas e de alto rendimento em amostras grandes (por exemplo,> 1 µm). Por outro lado, o XRF baseado em síncrotron pode gerar imagens de grandes amostras de até centenas de micrômetros, mas o problema de “autoabsorção” dificulta essencialmente a análise totalmente quantitativa. A emissão fluorescente dos elementos pode estar sujeita a absorção significativa, particularmente para materiais com alta densidade de massa ou densidade de elétrons. Como mostrado na Fig. 1a, a quantidade exata de absorção é governada pela geometria da amostra. Uma solução completa para a correção de autoabsorção requer conhecimento dos detalhes geométricos da amostra e da quantidade precisa de atenuação detectada.

Geometria de absorção para digitalização de mapeamento XRF. (a) Uma região local de uma amostra iluminada por um feixe de raios X focado produz emissão de fluorescência em todas as direções. Uma parte dos fótons fluorescentes emitidos é coletada por um detector. A área sombreada em laranja indica o volume da amostra responsável por atenuar os sinais XRF detectados. (b) Representação de voxels iluminados pelo feixe de raios X incidente na localização p e a detecção dos fótons de fluorescência pelo detector através do volume da amostra. Voxel q representa um volume local da amostra que contribui para a absorção dos fótons de fluorescência. (c) a descrição angular entre o emissor dos fótons de fluorescência ao longo do caminho do feixe e um voxel arbitrário dentro da amostra responsável pela absorção.