Méthodes de diffraction pour les matériaux

Les méthodes de diffraction permettent de déterminer la structure cristalline et la composition de phase des matériaux en mesurant la manière dont les rayons X, les neutrons ou les électrons sont diffusés par l'arrangement périodique des atomes.

Definition

Les méthodes de diffraction sont des techniques de caractérisation dans lesquelles un rayonnement de longueur d'onde comparable à l'espacement interatomique est diffusé par un matériau cristallin, produisant des figures d'interférence qui encodent la structure atomique périodique et les phases présentes.

Scope

Ce sujet couvre la caractérisation basée sur la diffraction : la physique de la diffusion de Bragg, la diffraction des rayons X sur monocristal et sur poudre pour l'identification des phases et la détermination de la structure, les rôles complémentaires de la diffraction neutronique et électronique, et l'analyse des motifs pour extraire les paramètres de réseau, la taille des cristallites et la contrainte. Il aborde la manière dont la diffraction révèle quelles phases cristallines sont présentes et comment leurs atomes sont agencés.

Core questions

• Comment la loi de Bragg relie-t-elle les angles de diffraction à l'espacement atomique ?
• Comment la diffraction sur poudre est-elle utilisée pour identifier les phases ?
• Quelles informations complémentaires la diffraction neutronique et électronique apportent-elles ?
• Comment les paramètres de réseau, la taille des cristallites et la contrainte sont-ils extraits des motifs ?

Key concepts

• Loi de Bragg
• Diffraction sur monocristal et sur poudre
• Identification de phase
• Diffraction neutronique et électronique
• Paramètres de réseau
• Taille des cristallites et contrainte

Key theories

Diffraction de Bragg

Un cristal ne diffracte le rayonnement que lorsque la différence de chemin optique entre les ondes diffusées par des plans atomiques successifs est un nombre entier de longueurs d'onde ; cette condition de Bragg fixe les angles auxquels l'intensité apparaît et relie directement le motif aux espacements interplanaires.

Diffraction sur poudre et analyse de phase

Un échantillon polycristallin présente toutes les orientations cristallines, produisant un motif d'anneaux ou de pics à des angles caractéristiques qui sert de signature pour l'identification des phases et, par l'affinement de profil complet, pour l'analyse quantitative de la structure et de la microstructure.

Mechanisms

Le rayonnement incident est diffusé par les électrons ou les noyaux à travers un cristal ; les ondes diffusées par les atomes dans des plans périodiques interfèrent, se renforçant uniquement aux angles de Bragg, de sorte que les positions mesurées donnent les espacements interplanaires et les intensités donnent l'arrangement atomique au sein de la maille élémentaire.

Clinical relevance

La diffraction est l'outil principal pour vérifier qu'une synthèse a produit la phase cristalline souhaitée, pour identifier les phases inconnues et les impuretés, et pour suivre les changements structurels pendant le traitement, la réaction et le fonctionnement, ce qui en fait un élément fondamental de presque toute la chimie de l'état solide et des matériaux.

History

La démonstration de Von Laue en 1912 selon laquelle les cristaux diffractent les rayons X, ainsi que la loi de diffraction des Bragg et leurs premières déterminations de structure, ont rendu mesurable la structure atomique des solides. La méthode d'affinement de profil complet de Rietveld, introduite à la fin des années 1960, a transformé la diffraction sur poudre en un outil quantitatif pour l'analyse de structure et de phase.

Key figures

• William Lawrence Bragg
• William Henry Bragg
• Hugo Rietveld

Seminal works

• cullity2014
• west2014

Frequently asked questions

Pourquoi les rayons X sont-ils utilisés pour étudier les cristaux ?

Les rayons X ont des longueurs d'onde comparables à l'espacement entre les atomes dans un cristal, ce qui est la condition nécessaire à la diffraction. La lumière de plus grande longueur d'onde ne peut pas résoudre les plans atomiques, c'est pourquoi les rayons X (et de manière similaire les neutrons et les électrons) sont les sondes appropriées pour l'étude de la structure cristalline.

Quelle est la différence entre la diffraction sur monocristal et la diffraction sur poudre ?

La diffraction sur monocristal utilise un seul cristal orienté pour collecter un ensemble complet de réflexions tridimensionnelles en vue d'une solution de structure détaillée. La diffraction sur poudre utilise de nombreux cristallites orientés aléatoirement, produisant un motif unidimensionnel idéal pour l'identification rapide des phases et l'analyse quantitative.