La diffraction des rayons X (XRD) est une technique puissante utilisée pour déterminer la structure atomique et moléculaire des matériaux cristallins. Il repose sur l'interaction des rayons X avec le nuage d'électrons d'atomes dans un réseau cristallin. Voici les principes fondamentaux:
1. Nature en forme d'onde des rayons X:
* Les rayons X sont un rayonnement électromagnétique avec des longueurs d'onde dans la plage de 0,1 à 10 nanomètres.
* Ils présentent des propriétés en forme d'onde et peuvent subir une diffraction lorsqu'ils interagissent avec des objets régulièrement espacés, comme les atomes dans un réseau cristallin.
2. Modèle de diffraction:
* Lorsque les rayons X passent à travers un matériau cristallin, ils sont dispersés par les électrons entourant chaque atome.
* Les ondes dispersées interfèrent les unes avec les autres, créant un modèle de diffraction sur un détecteur.
* Ce motif se compose de points lumineux (pics) et de zones sombres (creux), qui sont spécifiques à la structure cristalline et à l'orientation.
3. Loi de Bragg:
* La loi de Bragg explique la relation entre l'angle d'incidence (θ), la longueur d'onde des rayons X (λ) et l'espacement entre les plans atomiques (d) dans le réseau cristallin:
nλ =2d sinθ
* Où 'n' est un entier représentant l'ordre de diffraction.
* Cette loi prédit les angles auxquels se produisent une interférence constructive, résultant en les pics observés dans le schéma de diffraction.
4. Réseau réciproque:
* Le modèle de diffraction est lié au réseau réciproque du cristal, qui est une représentation mathématique de la structure cristalline dans l'espace réciproque.
* Les positions des pics dans le modèle de diffraction correspondent à des points dans le réseau réciproque.
5. Analyse des données de diffraction:
* En analysant le modèle de diffraction, les scientifiques peuvent déterminer:
* Les dimensions des cellules unitaires (A, B, C, α, β, γ)
* La disposition des atomes dans la cellule unitaire (groupe spatial)
* Les positions des atomes dans la cellule unitaire (coordonnées atomiques)
* La présence de tout défaut ou impureté dans la structure cristalline
Applications clés de la diffraction des rayons X:
* Caractérisation du matériau: Déterminer la structure cristalline, l'identification de phase et le polymorphisme.
* cristallographie: Résolution des structures atomiques des molécules et des protéines.
* Analyse des contraintes: Déterminer les niveaux de stress résiduel dans les matériaux.
* diffraction de la poudre: Identification et quantifier les phases cristallines dans des mélanges complexes.
* Analyse en couches minces: Déterminer la structure et l'épaisseur des films minces.
En résumé, la diffraction des rayons X est un outil puissant pour comprendre la structure atomique et moléculaire des matériaux cristallins. En utilisant la nature en forme d'onde des rayons X et en appliquant la loi de Bragg, nous pouvons analyser le modèle de diffraction pour obtenir des informations précieuses sur la disposition et les propriétés des matériaux.
