Analytical electron tomography: development of 3D chemical mapping at the nanoscale and its application to the study of heterogeneous catalysts

Tomographie électronique analytique : développement de la cartographie chimique 3D à l'échelle du nanomètre et applications aux catalyseurs inhomogènes

Lucian Roiban (1, 2)

1 IPCMS - Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg
2 IFPEN - IFP Energies nouvelles

This work is devoted to the development of analytical electron tomography for the 3D chemical analysis of nanomaterials, a new technique combining the electron tomography and the energy filtered imaging within an electron microscope. By acquiring series of energy filtered images at different angular orientations of the object, their 3D chemical spatial distribution can be achieved by employing a specific reconstruction algorithm. The energy positions used for the filtering correspond to the ionization edges of the elements of interest. Owing to its double selectivity, this technique is particularly powerful when applied to heterogeneous nanomaterials. In this context, the emphasis has been put on defining a precise methodology that would be implemented at the nanometric scale. To do so, an accurate assessment of all steps of analysis as well as a fine adjustment of experimental conditions and parameters of data treatment are imperatively required. Therefore, model objects have been analyzed in a first step in order to validate our protocol. The procedure as defined was then used for the study of two classes of heterogeneous catalysts, with a spatial resolution of several nanometers. The analysis of all elemental volumes within the very same sample allowed us to quantify key-parameters governing the catalytic activity of these specimens, such as the relative proportion of the components at the surface of a grain. The 3D visualization of the chemical composition of heterogeneous nanomaterials has been already implemented for improving the catalysts synthesis methods.

Cette thèse a été consacrée au développement de la tomographie analytique pour l'analyse des nanomatériaux, une technique qui combine la tomographie électronique et l'imagerie filtrée en énergie. En enregistrant pour différentes orientations de l'objet une série d'images filtrées en énergie sur les seuils d'ionisation des éléments d'intérêt, plusieurs volumes chimiquement sélectifs peuvent être calculés à travers un algorithme de reconstruction. Grâce à sa double sélectivité, au caractère 3D de l'objet et à sa composition chimique, cette technique présente un fort potentiel pour la caractérisation des nanomatériaux chimiquement inhomogènes. Dans ce contexte, notre but a été de définir une méthodologie de travail pour permettre son application à l'échelle du nanomètre. Pour ceci, une maîtrise parfaite de toutes les étapes à suivre et un ajustement pointu de différents paramètres ont été nécessaires. Validée tout d'abord sur des échantillons modèles, la méthodologie a été ensuite appliquée à l'étude de deux familles de catalyseurs mixtes avec une résolution de quelques nanomètres. L'analyse combinée des volumes chimiques obtenus sur le même échantillon nous a permis de déduire des paramètres crucials pour les applications en catalyse (comme par exemple la proportion relative des composants à la surface du grain). La visualisation en 3D de l'agencement des éléments chimiques constituant le grain analysé a déjà eu un premier impact bénéfique sur le contrôle et l'amélioration de la synthèse de ces catalyseurs.

Mots clés: electron tomography analytical tomography

Mots clés: Tomographie électronique Tomographie analytique

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]; Physique [physics]

Lucian Roiban. Tomographie électronique analytique : développement de la cartographie chimique 3D à l'échelle du nanomètre et applications aux catalyseurs inhomogènes. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Strasbourg, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00549871⟩