Thèse Surmonter la Limite de Profondeur de Champ en Nano-Imagerie 3D aux Rayons X de Matériaux à Grande Échelle H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Institut Néel
Direction de la thèse : Julio Cesar DA SILVA ORCID 0000000180350550
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59

Identifying defects, examining interfaces, and understanding the composition and microstructure of scaled-up materials at the nanoscale are challenges that require advanced tools like 3D X-ray nanoimaging. Despite progress, X-ray nanoimaging remains limited by the depth-of-field barrier, a mathematical constraint caused by the standard physical wave-propagation model. The thicker the sample, the lower the image's spatial resolution, making nanoscale information hard to access in scaled-up materials such as technical catalysts, building materials, or batteries, for example. As a result, larger materials are often broken into smaller pieces for high-resolution analysis. However, for real-world materials, properties often cannot be accurately represented just by combining data from individual pieces. Developing X-ray quantitative nanoimaging in its entirety is therefore a crucial next step.

This project aims to develop an innovative signal-processing approach based on the filtered back propagation method, the Huygens-Fresnel principle, and the Rytov transform to overcome the depth-of-field barrier and enable comprehensive nanoscale-resolution characterization of larger samples. To do this, a physical representation will be used to map the ray and wave descriptions of X-rays, accounting for multiple scattering within the sample. The project objectives include: (1) optimizing X-ray nanoscopes to handle large samples; (2) developing novel analytical methods; (3) creating numerical data analysis techniques to overcome current barriers in 3D X-ray nanoimaging; (4) validating the proposed methods through the characterization of weakly refractive technical catalysts; and (5) analyzing refractive, thick samples of eco-friendly cement.

Our goal is to develop an innovative characterization method that enables the design of new materials to address major energy challenges and reduce pollution-related global warming. The expected results will bring nanoscience laboratory tools much closer to industrial application. The data processing methods will deliver a much more accurate description of the X-ray onduladorty behavior, which is typically ignored in the currently available tomographic processing methods. Moreover, these advancements will be directly tested and implemented in the new X-ray microscope FAMEPIX, a French CRG beamline at the ESRF that I oversee.

Les matériaux à l'échelle macroscopique sont des matériaux concrets, souvent industriels, développés pour optimiser leurs structures internes à différentes échelles [1]. On peut citer comme exemples les matériaux [2-5] de stockage d'énergie tels que les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et les batteries au lithium, les cellules solaires, ainsi que les catalyseurs de réduction des polluants et les ciments écologiques. À mesure que les matériaux passent de l'échelle atomique à l'échelle macroscopique, les interactions augmentent de manière exponentielle, ce qui rend les théories classiques moins efficaces pour prédire leur comportement [1]. La compréhension du comportement collectif et des hétérogénéités structurales à différentes échelles est cruciale, et l'identification des défauts, des interfaces et de la microstructure requiert de nouvelles techniques de nanoimagerie aux rayons X plus avancées que celles actuellement disponibles.

Les objectifs du projet sont les suivants: (1) optimiser les nanoscopes à rayons X pour l'analyse d'échantillons de grande taille; (2) développer de nouvelles méthodes analytiques; (3) créer des techniques d'analyse numérique des données pour surmonter les obstacles actuels à la nano-imagerie 3D par rayons X; (4) valider les méthodes proposées par la caractérisation de catalyseurs techniques faiblement réfractifs; et (5) analyser des échantillons épais et réfractifs de ciment écologique.

La méthode sera fondée sur la nanoimagerie aux rayons X par ptychographie [6-10], avec le développement d'une nouvelle approche de traitement des données intégrant la physique des rayons X cohérents. Cette approche de traitement du signal sera basée sur la méthode de rétropropagation filtrée [11,12], le principe de Huygens-Fresnel-Feynman [13,14] et la transformée de Rytov [15], et vise à surmonter la limite de profondeur de champ [16] et à permettre une caractérisation complète, à résolution nanométrique, d'échantillons de grande taille.