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Research Microscopy Solutions
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Révéler la microstructure pour mieux concevoir contrôler et fiabiliser les matériaux

Comment la microscopie aide à déterminer la performance des matériaux

La performance d’un matériau ne dépend pas uniquement de sa composition globale. Elle repose aussi sur sa microstructure : grains, phases, pores, inclusions, interfaces, revêtements, défauts enfouis et hétérogénéités locales. Les solutions ZEISS permettent d’observer, de quantifier et de corréler ces informations du millimètre au nanomètre en combinant microscopie optique, microscopie électronique, rayons X, analyse chimique, cristallographie et workflows corrélatifs.

Solutions de microscopies pour les géosciences
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Quatre usages clés de la caractérisation microstructurale

La caractérisation microstructurale relie la structure interne des matériaux à leurs propriétés. Elle objective les contrôles qualité, accélère les cycles de développement et met en évidence les leviers d’amélioration des procédés.

Applications de la caractérisation microstructurale

De la batterie aux minerais complexes, la caractérisation microstructurale répond à quatre besoins : comprendre les matériaux énergétiques, analyser les composants de puissance, valoriser les ressources minérales et fiabiliser les procédés métallurgiques.
  • #1

    Matériaux énergétiques

    Comprendre les batteries, les électrodes et les interfaces actives
    Matériaux énergétiques

    Les performances des batteries lithium-ion dépendent de la microstructure des électrodes, de la porosité, de la connectivité, des interfaces et des défauts internes. L’imagerie multi-échelle permet d’analyser une cellule complète, puis de cibler les particules actives, fissures, dendrites et hétérogénéités locales.

    Exemples concernés:

    ■ Inspection non destructive des cellules complètes, des électrodes et des assemblages internes.
    ■ Analyse de la porosité, de la connectivité, de l’épaisseur des couches et de l’homogénéité des électrodes.
    ■ Détection des fissures, particules étrangères, défauts internes et asymétries après cyclage.

    Solutions Technologiques

    • Imagerie 3D non destructive à plusieurs échelles : Analyser les structures internes des cellules, électrodes et assemblages sans altérer l’échantillon.
    • Analyse 3D ciblée à haute résolution : Accéder localement aux interfaces et aux défauts critiques, puis reconstruire leur organisation en trois dimensions.
    • Segmentation et quantification automatisées : Identifier et mesurer les phases, pores, particules et défauts dans les images matériaux.
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  • #2

    Caractérisation de nouveaux matériaux

    Pour l’électronique de puissance
    Caractérisation de nouveaux matériaux

    Les matériaux à large bande interdite, comme le SiC et le GaN, comportent des interfaces, dopages, couches minces et défauts cristallins difficiles à caractériser. La microscopie relie la structure locale, la composition chimique et les défauts au comportement des dispositifs RF, MEMS et composants de puissance.

    Exemples concernés :

    ■ Analyse des interfaces critiques dans les hétérostructures GaN, SiC et GaAs.
    ■ Préparation de lamelles ou de pointes APT sur des zones ciblées.
    ■  Contrôle des défauts enfouis, du dopage local, des couches minces et des structures multicouches..
    ■ Corrélation entre imagerie électronique, analyse chimique et localisation des zones d’intérêt.

    Solutions technologiques

    • Préparation ciblée des zones critiques : Réaliser des coupes site-spécifiques, préparer des échantillons TEM ou APT et accéder aux interfaces enfouies.
    • Imagerie électronique haute résolution : Observer les surfaces, les couches minces et les interfaces, avec intégration EDS ou EBSD selon la configuration.
    • Corrélation et navigation multi-échelle : Relier les données optiques, électroniques et rayons X aux zones d’intérêt critiques.
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  • #3

    Matières premières et minéralurgie

    Caractériser les minerais, tailings et ressources secondaires
    Matières premières et minéralurgie

    Dans les minerais complexes, les résidus miniers et les ressources secondaires, la récupération dépend de la libération des phases, des associations minérales, de la distribution des métaux et de la structure interne des particules. L’analyse 2D et 3D fournit des données objectives pour orienter le traitement, le recyclage et la revalorisation.

    Exemples concernés :

    ■ Cartographie minéralogique automatisée sur sections polies.
    ■ Mesure de la libération réelle des phases en 3D.
    ■ Identification des métaux critiques piégés dans les résidus miniers.
    ■ Analyse des associations minérales limitant la récupération
    ■ Caractérisation des ressources secondaires et des déchets électroniques.

    Solutions technologiques

    • Minéralogie automatisée en 2D et en 3D : Classer les phases, quantifier leurs associations et caractériser les minerais complexes.
    • Imagerie volumique non destructive : Analyser la structure interne, la libération et la distribution des phases minérales en trois dimensions.
    • Classification volumique avancée des phases : Transformer les données tomographiques en informations minéralogiques exploitables.
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  • #4

    Métallurgie et fabrication

    Fiabiliser les alliages, soudures, revêtements et pièces critiques
    Métallurgie et fabrication

    En métallurgie, les performances dépendent de la taille des grains, des phases, inclusions, précipités, porosités, orientations cristallines, revêtements et défauts internes. Une approche corrélative permet de sécuriser les procédés et d’appuyer les décisions qualité.

    Exemples concernés :

    ■ Analyse de la taille des grains et validation des traitements thermiques.
    ■ Détection et classification des inclusions métalliques ou non métalliques..
    ■ Analyse des porosités, fissures, précipités et défauts enfouis.
    ■ Cartographie EDS et EBSD des phases, orientations et gradients chimiques.
    ■ Mesure de l’épaisseur des couches, des revêtements, de la corrosion et des états de surface.
    ■ Contrôle des soudures, zones affectées thermiquement et assemblages dissemblables.

    Solutions technologiques

    • Métallographie optique automatisée. : Mesurer la taille des grains, les phases et l’épaisseur des couches dans des workflows de contrôle qualité.
    • Caractérisation chimique et cristallographique : Analyser les inclusions, phases, soudures, corrosions et surfaces de rupture par EDS, EBSD ou WDS.
    • Imagerie 3D corrélative des défauts internes : Localiser les défauts sans destruction, puis accéder aux zones ciblées jusqu’à l’échelle nanométrique.
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Solutions pour les matériaux énergétiques

Solutions pour l'électronique de puissance

Solutions pour les matières premières

Solutions pour la métallurgie et la fabrication

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FAQ

  • Les propriétés mécaniques, électriques, électrochimiques, thermiques et chimiques dépendent de la structure interne du matériau, notamment des phases, grains, interfaces, pores, inclusions, défauts et hétérogénéités. Leur caractérisation apporte des données objectives aux équipes R&D et qualité.

  • Une seule technique fournit rarement une vision complète. La microscopie optique conserve le contexte, le MEB révèle la morphologie et la chimie locale, l’EBSD renseigne la cristallographie, le FIB-SEM donne accès à la 3D haute résolution et la microscopie X permet une inspection volumique non destructive.

  • Elle permet d’observer l’intérieur d’un matériau ou d’un composant sans le couper ni l’altérer. Elle est particulièrement utile lorsque les défauts sont enfouis, rares ou difficiles à localiser dans les batteries, pièces métalliques, minerais, assemblages électroniques, soudures et composants critiques.

  • Les workflows corrélatifs rapprochent l’imagerie, la composition chimique, la cristallographie, les données 3D et la segmentation logicielle. Ils aident à identifier les phénomènes associés à la performance, à la dégradation, à la fissuration, à la corrosion ou à la défaillance en service.

  • Selon l’application, ZEN core, ZEN Intellesis, Mineralogic, Phase Identifier 3D et Atlas 5 permettent d’automatiser l’analyse d’image, la segmentation, la classification, la minéralogie ou la navigation multi-échelle.

  • Les applications couvrent les batteries, l’électronique de puissance, les semi-conducteurs, la métallurgie, les soudures, les revêtements, les ressources minières, la minéralurgie, le recyclage et les laboratoires de recherche en sciences des matériaux.

Sources et ressources complémentaires

Matériaux énergétiques :

4D Study of Silicon Anode Volumetric Changes in a Coin Cell Battery using X-ray Microscopy
Dr. Claus Fischer VARTA, Microbattery GmbH
Luke Hunter, Carl Zeiss X-ray Microscopy Inc

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Multi-scale Characterization of Lithium Ion Battery Cathode Material by Correlative X-ray and FIB-SEM Microscopy
Christian Weisenberger, Andreas Kopp, Timo Bernthaler, Volker Knoblauch, Gerhard Schneider - Institut für Materialforschung,
Hochschule Aalen, Germany, Heiko Stegmann, Holger Blank, Alexander Orchowski, Fabián Pérez-Willard - Carl Zeiss Microscopy GmbH, German

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Multi-length Scale Investigations of a Li-ion Battery Cathode Multi-length Scale 3D X-ray Microscopes
Carl Zeiss X-ray Microscopy, Inc

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Quantitative Microstructural Analysis of State-of-the-art Lithium-ion Battery Cathodes Using ZEISS ZEN Intellesis
Alexander Banholzer, Tim Schubert, Timo Bernthaler, Gerhard Schneider - Institute for Materials Research, University Aalen
Tobias Volkenandt - Carl Zeiss Microscopy GmbH, Oberkochen

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Électronique de puissance :

FIB-SEM Fabrication of Atom Probe Specimens with ZEISS Crossbeam
Guillaume Audoit, Adeline Grenier - Univ. Grenoble Alpes, CEA, Leti, Grenoble, France
Fabián Pérez-Willard - Carl Zeiss Microscopy GmbH, Oberkochen, Germany

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Achieving Nano-scaled EDS Analysis in an SEM with a Detector for Transmission Scanning Electron Microscopy
Luyang Han - Carl Zeiss Microscopy GmbH, Germany

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Accelerating semiconductor research via automation: Nanowire characterization and precise feature-of-interest localization with ZEISS GeminiSEM and LithoTags
Dr. Jack Alexander-Webber, Dr. Teja Potocnik - University of Cambridge, Nanomation Ltd., UK
Greg Chu, Dr. Zeinab Tirandaz - University of Cambridge, UK
Dr. Ralf Mouthaan, Dr. Peter Christopher - Nanomation Ltd., UK
Dr. Olena Vertsanova - Carl Zeiss Microscopy GmbH, DE

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Matières premières et minéralurigie :

Improving the recovery of your resources ZEISS Microscopy Solutions for Mining
Carl Zeiss Microscopy Gmb

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Characterization of Cements and Concretes Using Machine Learning-based Reconstruction and 3D Quantitative Mineralogy ZEISS 3D X-ray Microscopy
Dr Ria L. Mitchell, Andy Holwell - Carl Zeiss Ltd., Cambourne, UK
Dr Giacomo Torelli, Prof. John Provis, Kajanan Selvaranjan, Dr Dan Geddes, Dr Antonia Yorkshire, Dr Sarah Kearney - The University of Sheffield, UK

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Métallurgie et fabrication :

Helping you engineer the alloys of the future ZEISS Microscopy Solutions for the Aluminum Industry
Carl Zeiss Microscopy Gmb

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Multi-modal characterization and advanced analysis options for industry and research
Carl Zeiss Microscopy Gmb

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Microscopic Methods in Metallography Using ZEISS Axio Observer and ZEISS Axio Imager
Gaby Ketzer-Raichle, Dr. Timo Bernthaler, Prof. Dr. Gerhard Schneider -  Aalen University Materials Research Institute, Germany
Dr. Susanne Klerner - Carl Zeiss Microscopy GmbH, Germany
Andy Holwell - Carl Zeiss Microscopy Ltd, Metals Solutions, UK

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Physical, chemical and crystallographic analysis of metal welds ZEISS Microscopy solutions for metallography
Roger Barnett and Andy Holwell - ZEISS Microscopy

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Microscopy in Metal Failure Investigations
Dr. Roger Barnett Carl Zeiss Microscopy, Cambridge UK

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