Diffraction de rayons X

Le principe de la diffraction de rayons X (XRD pour X-ray diffraction en anglais) repose sur deux fondements :

– la structure en réseau des substances cristallines (mailles), résultant de la répétition dans l’espace de motifs élémentaires, se traduit par des distances inter-planaires constantes caractéristiques de l’espèce minérale.

-la longueur d’onde des rayons X étant de l’ordre de grandeur des distances interatomiques (quelques Angström), les interférences des rayons diffusés vont être alternativement constructives ou destructives. Selon la direction de l’espace, on va donc avoir un flux important de photons X, ou au contraire très faible ; ces variations selon les directions forment le phénomène de diffraction X.

Lorsqu’un rayonnement X (de longueur d’onde λ) se heurte aux différents plans équidistants (d) de la maille cristalline, il se dispose en un faisceau de rayons diffractés émergeant d’un angle (θ) égal à l’angle d’incidence.

Les directions dans lesquelles les interférences sont constructives, appelées « pics de diffraction », peuvent être déterminées par la loi de Bragg :

2dsinθ = nλ

où :

• d est la distance interréticulaire séparant 2 plans réticulaires consécutifs
• θ est l’angle des rayons X incidents ou diffractés avec une famille de plans
• n est un nombre entier appelé ordre de réflexion
• λ est la longueur d’ondes des rayons X incidents ou diffractés

A partir de cette relation, si on connaît la longueur d’onde des rayons X utilisés, il est possible, en mesurant l’angle de diffraction, d’établir l’équidistance interplanaire et donc d’identifier l’espèce minérale présente.

Pour réaliser la diffraction de rayons X, il faut utiliser un diffractomètre.

La diffraction de rayons X peut se faire sur un échantillon réduit en poudre, poli, ou sur l’objet lui-même. Lors d’une diffraction directement sur l’objet, il faut faire attention à ce que le rayon diffracté ne soit pas arrêté par une des aspérités de celui-ci.

Le tube à rayons X, composé d’une cathode, d’une anode et d’un générateur haute tension, génère des rayons X qui sont envoyés sur l’échantillon avec un angle précis. Les rayons X diffractés sont ensuite traités par le détecteur.

Sur un diffractogramme de rayons X émis, on voit deux pics : 1 à Kα et 1 à Kβ. La raie de Kβ est 8 fois moins intense que la raie de Kα.

Mais, il ne nous faut qu’une longueur d’onde. Pour cela, on utilise un filtre Kβ. Il consiste en l’insertion d’une feuille métallique sur le trajet du faisceau de rayons X. Le matériau est choisi de façon à ce que la raie Kβ soit fortement absorbée, d’un facteur 100 environ, et à l’inverse, que la raie Kα ait une perte d’intensité limitée à un facteur 2 ou 3. Ce filtre est choisi en fonction de la nature de l’anode du tube à rayons X.

Exemple de nature de filtre kβ en fonction de la nature de l’anode

Le détecteur de rayons X ainsi que le filtre placé devant tournent autour de l’échantillon pour récupérer le plus de rayons X possible. Il arrive parfois que le porte-échantillon et le tube à rayons X pivotent également.

Le diffractogramme ainsi obtenu est ensuite comparé à une banque de données recensant les phases cristallines connues à ce jour. Nous voyons ici une des limites de cette méthode car pour reconnaître une phase cristalline, il faut que celle-ci soit dans la banque de données. De plus, il faut que la phase soit présente à plus de 5% pour être détectée.

Pour essayer d’améliorer la focalisation du faisceau de rayons X et pour pouvoir faire des analyses sur des objets avec des surfaces non planes, une équipe de chercheurs italiens a utilisé des miroirs de Göbel [Chiari et al. 1997]. Ces miroirs ne peuvent être utilisés qu’avec une anode composée de cuivre. Ils permettent de faire un faisceau parallèle, de mieux focaliser le faisceau de rayons X et donc de savoir plus facilement où se fait l’analyse.

La diffraction de rayons X est très utile car elle permet de connaître relativement rapidement la nature structurale d’un échantillon. Mais elle ne peut s’appliquer qu’à des structures cristallines.

Contributeur : A. Bonneau