Technique de base de la caractérisation des matériaux, la diffraction de rayons X permet la détermination des phases minérales micro et poly-cristallines des matériaux. Cette méthode n’est applicable qu’à des matériaux composés d’un nombre relativement important de cristaux aux orientations non préférentielles (céramiques, roches et monocristaux).

PRINCIPE DE LA METHODE :

L’état cristallin est caractérisé par la répartition tripériodique dans l’espace d’un motif atomique. Cette répartition ordonnée constitue des plans parallèles et équidistants que l’on nomme plans réticulaires {h,k,l}. Les distances interréticulaires sont de l’ordre de 0.15 Å- 15 Å et dépendent de la disposition et du diamètre des atomes dans le réseau cristallin. Elles sont constantes, caractéristiques du cristal et peuvent être calculées grâce à la diffraction de rayons X.

Un faisceau de rayons X monochromatique et parallèle qui frappe un cristal est diffracté dans une direction donnée par chacune des familles des plans réticulaires à chaque fois que la condition ou loi de Bragg est réalisée :
 
 

nl = 2d sin qn : ordre de la diffraction

l : longueur d’onde du faisceau de rayons X, d : distance de deux plans réticulaires, q : angle d’incidence des rayons X.

 

Fig.1: Schéma de diffraction de rayons X par une famille de plans réticulaires. P1,P2, P3, sont les plans de cette famille ; q est l’angle de Bragg. La différence de marche entre deux plans consécutifs est ici égale à AB+BC. Or AB+BC = 2 OB sin q . Comme OB est la distance interréticulaire d et que AB+BC doit être égale à un nombre entier de longueur d’onde l , en posant n = nombre entier, on retrouve la formule de Bragg : n = 2d sin q.

Pour que la diffraction se produise, il faut que les ondes diffractées par les différents plans soient en phase, c’est à dire que la différence de marche (cf.fig.1) des rayons rencontrant ces plans soit égale à un nombre entier. Dans ce cas, l’angle suivant lequel le faisceau de rayons X est dévié est égal à l’angle d’incidence q et est caractéristique de la distance interplanaire ou interréticulaire d. Si l’on connaît la longueur d’onde ldu faisceau de rayons X, on peut mesurer à partir de l’angle q l’équidistance d et ainsi identifier la nature du cristal.
 

Diagrammes de poudres de Debye-Scherrer - Protocole et Appareillage :
 
 

Le matériau est bombardé par un faisceau de rayons X monochromatiques et parallèles de longueur d’onde connue, produit grâce à une anticathode de cuivre (Energie du rayonnement : 8047 eV ; Longueur d’onde (Kµ 1) : 1.5405 A). Le rayonnement émis est défini par un système de fentes (fentes Soller) et de fenêtres situées avant et après l’échantillon. Ce dernier est étalé sous forme de poudre (15 mg) sur une lame de verre qui tourne d’un mouvement uniforme autour d’un axe situé dans son plan (cercle goniométrique), permettant ainsi d’augmenter le nombre d’orientations possibles des plans réticulaires. Les particules étant orientées au hasard, il y aura toujours une famille de plans donnant lieu à la diffraction, de telle sorte que l’on obtiendra simultanément tous les faisceaux susceptibles de diffracter : ces faisceaux forment des cônes de demi-angle au sommet 2 q.

Un détecteur ou compteur (Geiger-Müller ou compteur à scintillation) mesure l’intensité du rayonnement X diffracté dans certaines directions. Il tourne autour du même axe mais à une vitesse double de celle de l’échantillon. Pour un angle d’incidence q , l’angle mesuré par le déplacement du compteur sera donc 2 q . Un diaphragme à couteau permet d’éliminer l’effet parasite du faisceau incident dans les petits angles (2 q < 10°). L’enregistrement réalisé est la courbe de l’intensité des rayons X diffractés en fonction des angles de diffraction.

L’acquisition est effectuée par une unité de contrôle et le traitement des diffractogrammes ou spectres s’effectue à l’aide d’un logiciel basé sur les données des fiches ASTM (American Society for Testing and Materials), faisant correspondre les distances interréticulaires d aux angles 2qenregistrés. La position des pics de diffraction permet l’identification des structures ou phases cristallines présentes et donc la détermination de la composition cristallographique de l’échantillon analysé. La position des pics peut également servir à identifier des transformations ordre-désordre tandis que la forme du pic peut permettre d’identifier des micro-déformations (taux d’écrouissage).

L’un des principaux intérêt de cette méthode est la mesure précise d’intensité et la possibilité d’effectuer des estimations semi-quantitatives, en considérant que le pourcentage d’une espèce minérale est proportionnelle à l’aire des pics enregistrés sur le diffractogramme. Ces valeurs sont utilisées dans l’établissement des diagrammes d’équilibre.