(IMN) : diffraction des rayons X par les cristaux

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Découverte de
l'Institut des Matériaux
de Nantes (IMN)
le 18 novembre 2008
ATELIER N°1 :
Diffraction des Rayons X
par des cristaux et
des poudres de cristaux
Quand on fait passer un rayon laser sur un cheveu, il est diffracté par le cheveu car la
longueur d’onde de la longueur d’onde de la lumière laser (le micromètre) est de l’ordre
de celle de l’objet diffractant. On observe des taches lumineuses dont la largeur est
inversement proportionnelle au diamètre du fil.
Quand on fait passer un rayon laser dans un tissu bidimensionnel de maille carrée,
on obtient une figure de diffraction dont la géométrie reflète celle des fils avec des
taches lumineuses disposées en carré. La distance entre les taches est
inversement proportionnelle à la distance entre les fils, ce qui permet une mesure
indirecte de cette distance.
Rayon X incident
Rayon X diffractés
Quand on fait passer des rayons X dans un cristal, il est diffracté par les atomes du
cristal car la longueur d’onde de la longueur d’onde des rayons X (l’angstroëm,
1angstroëm = 0,1 nm = 100 pm) est de l’ordre la distance interatomique des atomes
du cristal.
On obtient une figure de diffraction dont la géométrie reflète celle du réseau cristallin.
La distance entre les taches est inversement proportionnelle à la distance entre les
atomes.
Ceci permet de connaître la géométrie du réseau cristallin périodique dans les trois
dimensions de l’espace et de déterminer de manière extrêmement précise (la plus
précise qui soit) les distances séparant les atomes à l’intérieur du cristal (quelques
angstroëms)
Goniomètre, sur lequel est fixé le
détecteur, permettant une mesure
extrêmement précise de l’angle
Détecteur de
rayons X
Arrivée des rayons X
Monochromateur de rayons X
Echantillon
Tube à rayons X, qui sont produits par le
bombardement d’électrons à grande
vitesse sur une plaque de cuivre
Mise en place
automatisée des
échantillons
grâce à un robot
ATELIER N°2 :
Microscope Electronique
à Transmission
(MET)
Cristal de
Bi3,5La0,75Ti3O12 pour les
mémoires ferroélectriques
(FRAM)
Cristal de Sr9/8TiS3 montrant
l’existence
de superdislocations
Nanoparticules à base d’oxyde de titane contenues dans un sol.
Application : photobatteries.
La microscopie électronique en transmission comporte un
certain nombre d’avantages :
•
•
Très faible quantité de produit nécessaire << 1 mg
Grande diversité des informations : morphologie,
structure atomique et électronique, composition
chimique…
•
Information très locale : quelques nanomètres
ATELIER N°3 :
Microscope à
Force Atomique
(AFM)
Lorsque la pointe du microscope AFM se déplace sur la surface,
on fait ployer son support, le micro levier ou « cantilever » fait le
plus souvent de silicium. Il y a trois façons d’utiliser la pointe de
l'AFM :
· Dans le mode contact, la pointe appuie sur la surface. Les
cortèges électroniques des atomes se repoussent. Le levier est
dévié.
· Dans le mode contact intermittent (tapping), de loin le plus
utilisé, le levier vibre à une centaine de kHz. Lorsque la pointe
interagit avec la surface, l'amplitude de la vibration décroît parce
que la fréquence s’éloigne de la résonance.
· Dans le mode non-contact, la pointe est attirée. Les forces
attractives étant très faibles, il faut travailler au froid et sous vide
pour éviter l’humidité et l’agitation thermique.
Effet piézo-électrique
À l’instar du quartz qui rythme le coeur de nos
ordinateurs et de nos montres, ces céramiques
se contractent ou se dilatent sous l’effet
d’une tension électrique.
Ces variations n’excèdent pas quelques
micromètres, mais sont suffisamment rapides
pour suivre le relief atomique.
En pratique
La pointe, déplacée latéralement par son support, balaie la
surface de l’échantillon. Elle est maintenue à distance
constante de la surface grâce au laser et au système
d’asservissement.
Les déplacements en hauteur de la pointe sont enregistrés
via le système d’asservissement. Cette dénivellation est
retranscrite à l’écran via l’ordinateur tandis que le balayage
décrit toute la surface.
La précision du système repose en grande partie sur la
qualité de cette pointe : plus elle est fine, plus elle sera
sensible aux détails de la surface.
ATELIER N°4 : Microscope
Electronique à Balayage
(MEB)
Photos : © Alain Barreau
Photo 1 : Lignes de 50 nm gravées dans SiO2
Grandissement 50 000 fois.
Photo 3 : Détail d'une micro-algue, la diatomée.
Grandissement 14 000 fois.
Photo 2 : Oxyde de manganèse pour batterie à
insertion de lithium. Grandissement 4 300 fois.
Photo 4 : Détail d'une bactérie en cours de division.
Grandissement 50 000 fois.
Avant d’être accélérés par un champ
électrique, les électrons, particules
portant une charge négative, sont
extraits d’un filament chauffé (effet
thermo ionique) ou d’une pointe portée
à un très haut potentiel négatif
(émission de champ).
Une anode (+) percée d’un trou produit
le champ accélérateur de ce canon à
électrons.
Ces particules sont ensuite focalisées
par des bobines magnétique
(condensateurs).
Deux étages de condensateurs
permettent d’homogénéiser le faisceau
en énergie avant d’entrer dans les
champs perpendiculaires et alternatifs
de deux bobines magnétiques
produisant le balayage sur un carré de
la surface.
Plus ce carré est petit, plus fort est
l’agrandissement du microscope.
Impression de relief
Quand on bombarde la matière avec des électrons et
il se produit une série de réactions : déflexion des
électrons primaires, production d’électrons
secondaires arrachés à l’échantillon, production de
rayons X. Ces phénomènes ne vont pas servir à former
directement une image de l’objet comme c’est le cas pour
les rayons lumineux dans les microscopes optiques.
Ici, c’est le balayage point par point de la surface par
le faisceau électronique qui donne des informations. En
chacun d’eux, l’instrument mesure le nombre des
électrons rétro diffusés, celui des électrons
secondaires captés ou les longueurs d’onde des
rayons X produits.
La collecte va varier selon l’angle que forment les
trajectoires de ces particules ou les rayons X avec la
direction du faisceau, d’où l’impression de relief.
Former l’image
La quantité des électrons secondaires ne dépend que
de l’angle d’incidence du faisceau :
plus elle est rasante, plus le volume excité est grand,
donc plus la production est importante.
D’où l’effet de contraste topographique :
les pentes bien orientées par rapport au détecteur
paraissent plus lumineuses alors que celles qui
envoient leurs électrons secondaires du côté opposé
à celui du détecteur paraissent sombres.
Caractérisation chimique de l'échantillon
Un écran disposé de façon à recueillir les électrons
rétrodiffusés sur un plan particulier donnera une image de
diffraction plus ou moins géométrique qui donne la
distance entre les plans atomiques.
Les rayons X émis par les atomes portent une
information chimique : le spectre de leurs longueurs
d’onde comporte des raies qui permettent de reconnaître
les éléments chimiques présents dans l'échantillon
(analyse élémentaire qualitative et quantitative).
FIN