Département commun OTELo de Diffraction des Rayons X

Responsables : Renaud Gley, Isabelle Bihannic

Principe

La Diffraction des Rayons X (DRX) est une technique de caractérisation des matériaux cristallisés, qu’ils soient massifs, sous forme de poudre ou de dépôts. En laboratoire, cette technique est principalement appliquée aux matériaux inorganiques : minéraux, métaux, alliages, céramiques, etc.

Le principe est le suivant : les faisceaux de Rayons X produits par le tube sont envoyés sur l’échantillon dans lequel ils sont déviés par les atomes. Ces faisceaux diffractés interfèrent entre eux, conduisant à la production d’un signal intense dans certaines zones précises de l’espace. C’est ce signal qui est collecté par le détecteur, et tracé sous forme d’une courbe (diffractogramme) qui présente des pics à des angles bien spécifiques de diffraction. La position de ces pics est une véritable signature de l’arrangement des atomes à l’intérieur d’un cristal (distance entre atomes, entre plans intracristallins). La relation empirique qui relie les angles auxquels sont observés les pics et les distances entre plans atomiques est la loi de Bragg.

La diffraction des rayons X permet de distinguer des produits ayant la même composition chimique mais dont les arrangements atomiques diffèrent. Par exemple, les carbonates de calcium comme la calcite et l’aragonite, de même formule chimique (CaCO3), ont des diagrammes de diffraction différents. En revanche, les phases de nature chimique différente mais dont les atomes sont organisés selon le même arrangement présentent de grandes similitudes, à savoir des pics de diffraction localisés aux mêmes positions angulaires.Dans un mélange, il est possible de déterminer la nature de chacune des phases cristallines en présence, sous réserve de connaître préalablement la signature de chacune de ces phases. La procédure d’identification se fait en deux étapes, la première consiste à comparer les pics obtenus avec ceux contenus dans une base de données qui comprend plusieurs centaines de milliers de fiches. Cette étape est suivie par une étape de validation en s’aidant de la composition chimique. La validation est effectuée par l’utilisateur qui doit avoir une bonne connaissance de l’échantillon, afin de lever les ambiguïtés et les confusions.

Pour résumer, la diffraction des rayons X repose sur l’enregistrement d’un diffractogramme et sur l’analyse des pics de ce diagramme qui permet de caractériser les cristallites présents dans l’échantillon à partir des éléments suivants :

Position des pics : analyse qualitative, identification de phases cristallines présentes
Largeur des pics : taille et forme des cristallites, contraintes internes
Intensité des pics : estimation de composition chimique, analyse quantitative, orientation préférentielle

Equipement

Diffractomètre Bruker D8 Discover avec un tube au cuivre (=1.54Å).

Il y a plusieurs plateformes modulables :
Platine XYZ en micro-diffraction
Platine pour les analyses en capillaire
Chambre à température et humidité relative contrôlées Anton Paar

Application

Identification de phases cristallisées
Identification des phases argileuses