La diffraction des rayons X (DRX) est une technique analytique puissante utilisée pour étudier la structure cristalline des matériaux. XRD fournit des informations essentielles sur la structure atomique, la composition de phase et d'autres propriétés des matériaux. La DRX est largement utilisée dans des domaines tels que la science des matériaux, la géologie, la chimie et la biologie.
Diffraction des rayons X (DRX)
Principes de la diffraction des rayons X
La diffraction des rayons X se produit lorsque les rayons X interagissent avec l'agencement périodique des atomes dans un matériau cristallin. L'arrangement périodique conduit à une interférence constructive à des angles spécifiques, résultant en un motif de diffraction. Le principe fondamental régissant la DRX est la loi de Bragg, qui s'exprime mathématiquement comme :
\[ n\lambda = 2d \sin \theta \]
où :
- n est l' ordre de diffraction (un entier),
- λ est la longueur d'onde des rayons X,
- d est l'espacement entre les plans atomiques dans le cristal,
- θ est la moitié de l'angle de diffusion 2θ.
La loi de Bragg décrit la condition pour une interférence constructive, qui se produit lorsque la différence de longueur de chemin entre les rayons X diffusés est un multiple entier de la longueur d'onde des rayons X (Figure 1). Si tel est le cas, un pic de diffraction est observé à cet angle de diffusion spécifique 2θ. En faisant varier l'angle de diffusion, le soi-disant motif de diffraction est enregistré. L'analyser permet de déterminer la structure cristalline du matériau en mesurant l'espacement entre les plans de réseau.
Figure 1 : Représentation visuelle de la loi de Bragg.
Techniques de diffraction des rayons X
La diffraction des rayons X peut être effectuée en utilisant différentes techniques en fonction du matériau étudié et des informations requises. Les techniques de DRX les plus courantes incluent :
Diffraction des rayons X (XRD)
La diffraction des rayons X en poudre est la technique de DRX la plus fréquemment utilisée et est idéale pour les échantillons polycristallins ou en poudre. Puisque l'échantillon contient de nombreux cristallites orientés aléatoirement, les rayons X sont diffractés dans diverses directions, produisant un motif qui peut être analysé pour l'identification de phase, la quantification et la détermination des paramètres de réseau.
Diffraction des rayons X monocristallins (SCXRD)
La diffraction des rayons X monocristallins est utilisée pour déterminer la structure atomique détaillée d'un matériau en analysant comment les rayons X sont diffractés par un monocristal. Cette technique est particulièrement importante en cristallographie pour étudier l'agencement tridimensionnel des atomes dans les molécules, telles que les composés organiques et les macromolécules biologiques comme les protéines.
Diffraction des rayons X à haute résolution (HRXRD)
La diffraction des rayons X à haute résolution est utilisée pour étudier des matériaux avec des détails structurels très fins, tels que des films minces et des couches épitaxiales. HRXRD fournit des informations sur la contrainte, le décalage de réseau et les défauts, ce qui est essentiel pour comprendre les matériaux semi-conducteurs et les nanostructures.
Diffraction des rayons X à incidence rasante (GIXRD)
GIXRD est utilisé pour étudier les films minces et les surfaces en dirigeant le faisceau de rayons X à un angle faible par rapport à l'échantillon. Cette technique est utile pour analyser les revêtements, les couches de surface et les nanomatériaux, où la structure de surface peut différer du matériau de masse.
Le diffractogramme et les informations obtenues par PXRD
Le résultat d'une expérience de PXRD est généralement présenté sous la forme d'un diffractogramme – un graphique de l'intensité des rayons X (axe des y) par rapport à l'angle de diffraction (2θ, axe des x). L'analyse d'un diffractogramme fournit plusieurs informations clés :
- Analyse qualitative: Chaque matériau cristallin produit un motif de diffraction unique, servant de "empreinte digitale" pour l'identification de phase. La comparaison avec les bases de données permet aux chercheurs d'identifier la phase.
- Analyse quantitative: Pour les matériaux contenant plusieurs phases, la DRX est utilisée pour quantifier les quantités relatives de chaque phase en analysant les intensités/aires des pics.
- Paramètres de la maille de la cellule unitaire: La diffraction des rayons X caractérise les dimensions de la cellule unitaire d'un matériau, la plus petite structure répétitive dans un cristal. Ceci est essentiel pour étudier les propriétés cristallographiques, en particulier dans des conditions non ambiantes (par exemple, température ou pression variable). De plus, la contrainte résiduelle a une influence sur les paramètres de réseau.
- Taille et contrainte des cristallites: La taille des cristallites dans un échantillon influence l'élargissement des pics de diffraction. De petits cristallites (moins de ~120 nm) produisent des pics plus larges, permettant aux chercheurs d'estimer la taille des cristallites. La DRX peut également quantifier la microcontrainte dans le matériau.
Une représentation schématique d'un diffractogramme et les informations qu'il contient sont données dans la Figure 2.
D'autres méthodes sophistiquées de diffraction des rayons X existent, qui permettent par exemple d'étudier les contraintes résiduelles ou la texture dans les échantillons, permettant d'acquérir une compréhension encore plus approfondie des échantillons et de leurs propriétés. Couvrir cela dépasserait l'objectif de cette page.
Figure 2 : Représentation schématique d'un diffractogramme et des informations qui peuvent en être obtenues.
Applications de la diffraction des rayons X
La diffraction des rayons X est une technique polyvalente utilisée dans de nombreuses industries et domaines scientifiques. Ses applications vont de la recherche fondamentale au contrôle de la qualité dans les processus de fabrication :
- Science des matériaux: La DRX est couramment utilisée pour caractériser les phases cristallines des métaux, des céramiques, des polymères et des composites. Il aide à déterminer la cristallinité, la composition de phase et la texture des matériaux, qui sont critiques pour leur performance dans des applications telles que la construction, l'aérospatiale et l'électronique.
- Géologie et minéralogie: La DRX est essentielle pour étudier les minéraux, les roches et les échantillons de sol. Il est utilisé pour identifier les phases minérales présentes dans les échantillons géologiques et pour comprendre les processus qui mènent à la formation de divers minéraux dans différentes conditions environnementales.
- Chimie: En chimie, la DRX est utilisée pour déterminer la structure des composés cristallins, surveiller les réactions chimiques dans les phases solides et étudier les catalyseurs. Il est particulièrement précieux pour identifier et quantifier différents polymorphes d'un composé.
- Pharmaceutiques: XRD joue un rôle crucial dans l'industrie pharmaceutique, en particulier dans l'identification des différentes formes polymorphes des principes actifs pharmaceutiques (API). La structure cristalline des médicaments peut affecter leur solubilité, leur stabilité et leur biodisponibilité, faisant de la DRX un outil important dans le développement et la fabrication de médicaments.
- Science de l'environnement: La DRX est utilisée dans la recherche environnementale pour étudier des échantillons de sol et de sédiments. Cela aide à comprendre la distribution des minéraux et des polluants, ainsi que les réactions chimiques se produisant dans les environnements naturels.
- Archéologie et conservation de l'art: la DRX est utilisée dans l'analyse des artefacts anciens, des céramiques et des matériaux historiques. Cela aide à identifier la composition et l'origine des matériaux, contribuant aux efforts de conservation et à la compréhension des techniques de fabrication historiques.
- Films minces et revêtements: Dans les industries des semi-conducteurs et des films minces, la DRX est utilisée pour analyser la qualité cristalline des films, des couches et des revêtements. GIXRD est particulièrement utile pour étudier les couches superficielles et les films minces utilisés dans les microélectroniques et les dispositifs photovoltaïques.
Avantages de la diffraction des rayons X
- Non-destructif: La DRX est une technique non-destructive, ce qui signifie que l'échantillon reste intact après l'analyse.
- Large applicabilité: XRD peut être utilisé pour étudier une large gamme de matériaux, des métaux et céramiques aux polymères, minéraux et macromolécules biologiques.
- Haute précision: XRD fournit des informations précises sur les arrangements atomiques et les structures cristallines.
- Rapide et efficace: L'analyse peut être effectuée relativement rapidement, rendant la DRX adaptée à la recherche ainsi qu'au contrôle qualité industriel.
Applications de la diffraction des rayons X
- Exigence de cristallinité: La DRX n'est efficace que pour les matériaux cristallins. Les matériaux amorphes, qui manquent d'ordre à longue portée, ne produisent pas de motifs de diffraction clairs.
- Taille, quantité et qualité de l'échantillon: Pour la diffraction des rayons X sur monocristaux, des cristaux de haute qualité d'une taille suffisante sont nécessaires, ce qui peut ne pas toujours être possible pour certains matériaux. Dans la diffraction des rayons X en poudre, une distribution homogène de la taille des cristallites, une distribution d'orientation aléatoire et une certaine taille de cristallite sont nécessaires pour obtenir des données de haute qualité. Un matériel suffisant doit être disponible pour collecter des diffractogrammes dans un délai raisonnable.
- Chevauchement de phase: Dans des mélanges complexes, des pics de diffraction qui se chevauchent peuvent rendre difficile la distinction entre différentes phases dans la DRX en poudre.
Conclusion
La diffraction des rayons X est un outil essentiel pour comprendre la structure et les propriétés des matériaux cristallins. De l'identification de phase à la détermination de la taille des cristallites, de la déformation du réseau et de la structure cristalline, la DRX fournit des informations détaillées sur les matériaux qui sont cruciales pour diverses applications en science et en industrie. Sa nature non destructive, sa polyvalence et sa haute précision en font un outil indispensable dans des domaines allant de la science des matériaux à la pharmacie et à la recherche environnementale.
Le guide du non ambiant
Ce guide gratuit est une introduction générale à la diffraction des rayons X non ambiants (NA-XRD). Le contenu couvre l’instrumentation, l’analyse, l’interprétation des données et les applications. Le document n’est pas explicitement dédié à un instrument XRD non ambiant spécifique ou une zone d'application particulière, mais il a pour objectif d'offrir un aperçu général de l'instrumentation principale et des applications.
Références
- Touloukian, Y.S., (1977). Propriétés thermophysiques de la matière, Vol 13, Expansion thermique des solides non métalliques
- Bragg, W. L., & Bragg, W. H. (1913). La réflexion des rayons X par les cristaux. Actes de la Société royale A, 88(605), 428-438.
- Cullity, B. D., & Stock, S. R. (2001). Éléments de la diffraction des rayons X. Pearson Éducation.
- Klug, H. P., & Alexander, L. E. (1974). Procédures de diffraction des rayons X pour les matériaux polycristallins et amorphes. Wiley.
