Diffraction des rayons X
Source : Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
La diffraction des rayons X (XRD) e…
La procédure suivante s'applique à un instrument XRD spécifique et à son logiciel associé, et il peut y avoir quelques variations lorsque d'autres instruments sont utilisés.
- Nous examinerons un échantillon de poudre de Ni sur un instrument Panalytical Alpha-1 XRD.
- Tout d'abord, choisissez le masque pour fixer la taille du faisceau en fonction de votre diamètre d'échantillon. Le faisceau ne doit pas avoir une empreinte plus grande que l'échantillon à la plus petite valeur de la valeur (généralement 70-100). Pour un échantillon de largeur, la taille du faisceau doit être 'lt; 'sin'.
- Chargez l'échantillon à l'étape de spinner de l'échantillon et verrouillez l'échantillon en position. Le spinner d'échantillon aide à randomiser spatialement l'exposition de l'échantillon à la source de rayon X.
- Choisissez la plage d'angle pour votre scan XRD. Par exemple 15-90 degrés est une gamme typique.
- Choisissez une taille d'étape, c'est-à-d. l'augmentation en 2, et l'intégration (compte) le temps. En général, une taille d'étape de 0,05 degré et une intégration de 4 secondes est la valeur par défaut pour un balayage grand angle.
- Une fois que toutes les positions de pointe sont déterminées à travers cette analyse initiale, les scans ultérieurs peuvent se concentrer sur une plage d'analyse plus étroite autour de pics spécifiques en utilisant une taille d'étape plus petite dans l'angle si des données de résolution plus élevée de ces pics sont souhaitées.
La diffraction des rayons X est une technique utilisée pour déterminer la structure atomique et moléculaire des matériaux. Les solides ont une structure cristalline, qui correspond à un arrangement microscopique d’atomes qui est répété périodiquement. En jalonnant des plans, une structure 3D de symétrie spécifique peut être formée.
Ces arrangements structurels se traduisent par une géométrie de garnissage spécifique qui dicte les propriétés physiques et chimiques du matériau. Tels que l’aimantation, la conductivité thermique ou la malléabilité. La réflexion des rayons X sur les matériaux peut révéler les détails internes de leur structure.
Cette vidéo illustrera les principes généraux de la diffraction des rayons X sur un matériau et comment ce phénomène est utilisé en laboratoire pour déterminer la structure et la composition chimique des matériaux.
Pour commencer, regardons de plus près un cristal. Il est formé de réseaux atomiques disposés dans des plans périodiquement séparés par une distance dhkl de quelques angströms. H, k, l sont des indices de Miller, un ensemble de trois entiers qui constituent un système de notation pour identifier les directions et les plans à l’intérieur des cristaux. La plus petite structure répétitive d’un cristal s’appelle la cellule unitaire. Différents angles, alpha, bêta, gamma et longueurs a, b, c, d’une cellule unitaire formant le réseau donneront lieu à différentes symétries. Il y a sept systèmes cristallins. Cubique, tétragonal, orthorhombique, rhomboédrique, monoclinique, triclinique et hexagonal.
La relation entre les paramètres de la cellule unitaire et les indices de Miller peut être calculée pour chaque classe de cristaux. Les électromagnétiques de longueur d’onde lambda peuvent avoir des dimensions similaires avec les différences entre les plans à l’intérieur du réseau du cristal. Celles-ci correspondent à des longueurs d’onde dans la gamme spectrale des rayons X. Lorsque les ondes lumineuses des rayons X irradient un cristal à un angle incident thêta, elles se propagent à travers le cristal et rencontrent des points de réseau à partir desquels elles se défractent. La loi de Bragg relie ces paramètres où n est un entier qui représente l’ordre harmonique de la diffraction. Pour un lambda donné, seuls les angles thêta spécifiques donnent lieu à la diffraction. C’est la signature unique d’une structure cristalline.
Dans une expérience, l’échantillon est tourné et le détecteur qui recueille les rayons X diffusés enregistre des pics d’intensité lorsqu’il atteint ces angles caractéristiques. On peut ensuite extraire l’espacement du réseau DHKL pour chaque angle satisfaisant la loi de Bragg. En utilisant plusieurs positions de pic diffractés correspondant à plusieurs valeurs DHKL distinctes, les paramètres de la cellule unitaire peuvent être résolus de manière unique.
Deux facteurs principaux contribuent à l’intensité relative des pics. Tout d’abord, il y a les contributions non structurelles, qui comprennent la capacité du matériau à absorber la lumière des rayons X, et la géométrie de l’expérience XRD. Ceux-ci peuvent être pris en compte dans le post-traitement des données expérimentales. Deuxièmement, et c’est le plus important, la contribution structurelle du matériau est liée aux intensités relatives de la DRX. Chaque pic de diffraction est en fait la somme de toutes les amplitudes diffusées à partir de plusieurs trajets de rayons diffractés par tous les atomes uniques d’une cellule unitaire. Si les lumières diffusées sont en phase, il y a interférence construite. Alors que s’ils sont déphasés, il y a des interférences détruites. Ces interférences affectent directement l’amplitude des pics XRD, représentant les plans HKL du cristal.
Nous allons maintenant voir comment ces principes s’appliquent dans une expérience réelle de diffraction des rayons X.
Avant de commencer, inspectez soigneusement l’instrument XRD et évaluez son état et sa sécurité. Les utilisateurs de DRX doivent être formés aux bases de la radioprotection avant d’avoir accès à l’instrument. Procédez ensuite à la préparation de l’échantillon. Dans cette expérience, nous utilisons un échantillon de poudre de nickel sous la forme d’une pastille pressée.
Il est important que l’échantillon ne soit pas mince et qu’il soit au moins trois fois plus épais que la longueur d’atténuation des rayons X. Notez que la procédure suivante s’applique à un instrument XRD spécifique et à son logiciel associé et qu’il peut y avoir des variations lorsque d’autres instruments sont utilisés.
Chargez l’échantillon dans l’étage de l’essoreuse de l’échantillon et verrouillez l’échantillon en position, en vous assurant que le côté irradié de l’échantillon est parallèle à l’étage d’échantillon. À l’aide d’un masque, ajustez la taille du faisceau de rayons X de l’instrument en fonction du diamètre de l’échantillon. Au plus petit angle d’incident, l’empreinte du faisceau doit être inférieure à la largeur de l’échantillon.
Il est maintenant temps de choisir les paramètres d’acquisition. Tout d’abord, sélectionnez la plage d’angle pour le balayage XRD. En règle générale, la plage va de 15 à 90 degrés. Ensuite, sélectionnez la taille du pas de degré ainsi que le temps d’intégration à chaque angle scanné.
Ensuite, procédez à l’acquisition des données. Après le balayage, on obtient un graphique de l’intensité en fonction de l’angle par rapport à thêta. À partir de ce balayage initial, sélectionnez des pics spécifiques et déterminez les positions des pics.
Répétez l’acquisition et concentrez-vous cette fois sur une plage de balayage plus étroite autour de pics spécifiques. Utilisation d’un angle de pas plus petit pour obtenir des données de plus haute résolution. Une fois l’acquisition des données terminée, les données peuvent être analysées pour identifier la structure du matériau.
À l’aide du logiciel de l’instrument et de la bibliothèque de base de données, chaque pic du spectre est identifié et associé à une symétrie spécifique de disposition des cristaux. Dans ce cas particulier de l’échantillon de poudre de nickel, le spectre présente un premier pic correspondant à une symétrie un un.
Le deuxième pic est associé à une symétrie deux zéro-zéro et ainsi de suite. Ensuite, le logiciel détermine que cette combinaison spécifique de symétries correspond à une structure cubique centrée sur la face et il identifie que l’échantillon est une poudre de nickel.
La diffraction des rayons X est une méthode standard pour déterminer la présence ou l’absence d’ordre cristallographique dans les matériaux. Il est souvent utilisé pour obtenir une variété d’autres informations structurelles concernant les contraintes internes et les défauts d’un cristal, ou plusieurs phases cristallographiques dans les matériaux composites. La technique XRD est également utilisée en biologie pour déterminer la structure et l’orientation spatiale des macromolécules biologiques telles que les protéines et les acides nucléiques.
C’est notamment ainsi qu’a été découverte la structure en double hélice de l’ADN, ce qui a conduit au prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1962. L’étude de la géochimie des minéraux, que ce soit à des fins minières ou même pour l’exploration planétaire, fait également appel à la technique XRD. Pensez au rover Curiosity sur Mars qui compte parmi ses dix instruments scientifiques un détecteur XRD pour analyser la composition du sol martien.
Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter à la diffraction des rayons X. Vous devriez maintenant comprendre la structure cristalline d’un solide et les principes de la diffraction des rayons X. Vous devez également savoir comment la technique XRD est utilisée en laboratoire pour obtenir la structure et la composition chimique des matériaux.
Merci d’avoir regardé !
Q1: What is Bragg's Law and how does it relate to X-ray diffraction?
Bragg's Law relates the wavelength of X-rays, the incident angle, and the lattice spacing of a crystal. When X-rays irradiate a crystal at a specific angle theta, they diffract only at angles satisfying Bragg's Law, where n is the harmonic order. This relationship creates a unique signature for each crystalline structure, allowing researchers to identify materials from their diffraction patterns.
Q2: How do Miller indices and unit cells describe crystal structure?
Miller indices are three integers that identify specific directions and planes within crystals. The unit cell is the smallest repeating structure in a crystal, defined by angles and lengths that determine its symmetry. Different unit cell parameters produce seven distinct crystal systems, including cubic, tetragonal, and hexagonal, each with unique structural properties.
Q3: What causes variations in X-ray diffraction peak intensities?
Peak intensities result from two factors: non-structural contributions like material absorption and experimental geometry, and structural contributions from the material itself. Each diffraction peak represents the sum of scattered amplitudes from all unique atoms in a unit cell. Constructive interference produces strong peaks, while destructive interference weakens them, directly reflecting the crystal's atomic arrangement.
Q4: How is sample preparation critical for X-ray diffraction experiments?
Samples must be sufficiently thick, at least three times the X-ray attenuation length, to ensure adequate diffraction signal. The irradiated sample surface must be parallel to the sample stage, and the X-ray beam footprint must remain smaller than the sample width at the smallest incident angle. Proper preparation ensures accurate data collection and reliable structural analysis.
Q5: What information can X-ray diffraction reveal about material structure?
X-ray diffraction determines atomic and molecular arrangements, identifies crystallographic phases, and reveals internal stress and crystal defects. The technique also measures how actual structures deviate from ideal arrangements. Beyond materials science, XRD is used in biology to determine protein and nucleic acid structures, and in geochemistry for mineral analysis and planetary exploration.
Q6: How does the data acquisition process work in X-ray diffraction?
The sample is rotated while a detector records scattered X-ray intensity at varying angles. An initial broad scan from 15 to 90 degrees identifies major peaks. Subsequent focused scans use smaller angle steps around specific peaks for higher resolution data. The resulting intensity versus angle graph reveals characteristic peaks that correspond to specific crystal symmetries and planes.
Q7: How does X-ray diffraction identify unknown materials?
Software compares observed diffraction peaks against database libraries, matching each peak to specific crystal symmetries. The combination of peak positions and intensities uniquely identifies the crystal structure type. For example, nickel powder shows peaks corresponding to face-centered cubic symmetry, allowing definitive material identification and phase composition analysis.