Diffraction cristalline : Phases et facteur de structure

Description

Cette séance de cours couvre les techniques et applications des synchrotrons et des lasers à rayons X dans la diffraction des cristaux. L'instructeur explique comment déterminer les phases des vagues dispersées, le facteur de structure et les bases à haute symétrie. Les sujets incluent la diffusion par atomes dans une cellule unitaire, les amplitudes d'ondes dispersées et le problème de phase dans la cristallographie.

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Cristallographie aux rayons X

La cristallographie aux rayons X, radiocristallographie ou diffractométrie de rayons X (DRX, on utilise aussi souvent l'abréviation anglaise XRD pour X-ray diffraction) est une technique d'analyse fondée sur la diffraction des rayons X par la matière, particulièrement quand celle-ci est cristalline. La diffraction des rayons X est une diffusion élastique, c'est-à-dire sans perte d'énergie des photons (longueurs d'onde inchangées), qui donne lieu à des interférences d'autant plus marquées que la matière est ordonnée.

Cristallographie

La cristallographie est la science qui se consacre à l'étude des cristaux à l'échelle atomique. Les propriétés physico-chimiques d'un cristal sont étroitement liées à l'arrangement spatial des atomes dans la matière. L'état cristallin est défini par un caractère périodique et ordonné à l'échelle atomique ou moléculaire. Le cristal est obtenu par translation dans toutes les directions d'une unité de base appelée maille élémentaire.

Diffraction de poudre

vignette|320x320px|Paterne de poudre d'électron (rouge) d'un film d'aluminium avec une superposition de spirales (vert) et une ligne d'intersection (bleue) qui détermine le paramètre de réseau. La diffraction de poudre est une technique scientifique utilisant la diffraction aux rayons X, la diffraction de neutrons ou la diffraction des électrons sur des échantillons en poudre ou micro-cristallins pour la caractérisation structurale de matériaux. L'instrument dédié à l'exécution de ces mesures est appelé un diffractomètre de poudre.

Diffusion des rayons X

La diffusion des rayons X (X-ray scattering en anglais) est une technique d'analyse basée sur la diffusion des ondes de rayons X par une substance. Alors que la diffraction des rayons X ne peut être utilisée qu'avec des substances cristallines, la diffusion des rayons X peut être utilisée pour des substances cristallines ou amorphes. La diffusion des rayons X est basée sur l'interaction des rayons X avec les électrons des atomes. La diffusion des rayons X peut être élastique ou inélastique.

Diffusion Brillouin

La 'diffusion Brillouin' est la diffusion inélastique de la lumière par les ondes acoustiques d'un milieu. Dans une expérience de diffusion Brillouin, on illumine un milieu à l'aide d'un faisceau laser et on détecte la lumière diffusée à une fréquence légèrement différente. Les décalages en fréquence observés sont de l'ordre de 1 à 200 GHz environ. La mesure de ce décalage permet de remonter à certaines propriétés du milieu. Cet effet a été prédit en 1914 par Léon Brillouin.