Janvier 1996 - n°4
L'analyse par diffraction des rayons X ou diffractométrie X permet de déterminer les distances interatomiques et l'arrangement des atomes dans les réseaux cristallins. Comme les rayons X sont diffractés de façon différente par les éléments du réseau suivant la construction de ce dernier, l'irradiation de la matière par rayons X permet de connaître sa nature cristallographique.
L'étude des structures cristallines est effectuée avec des échantillons monocristallins, par contre pour la caractérisation des matériaux on utilise plus souvent des échantillons polycristallins ou des poudres. De nombreuses applications ont ainsi été développées permettant, par exemple, d'identifier les formes cristallographiques ou phases, de déterminer les contraintes internes et les textures, ou encore de caractériser la surface d'un matériau.
Diffraction des poudres
En diffraction des échantillons polycristallins, on irradie une fine poudre par un faisceau monochromatique, par exemple le rayonnement d'un tube à anode de cuivre. On observe de cette manière, à des angles déterminés, nommés angles de diffraction, les faisceaux diffractés par les plans cristallins. La relation entre l'angle de diffraction et la distance interatomique du réseau cristallin est donnée par la loi de BRAGG :
n* = 2 d sin *
où * représente la longueur d'onde du rayonnement monochromatique, d la distance interréticulaire entre plans cristallins, * le demi angle de diffraction et n l'ordre de la réflexion.
Technique de mesure
Les diffractomètres actuels utilisent le montage de BRAGG-BRENTANO. Le faisceau de rayons X émis par le tube est limité par une fente de divergence afin de contrôler la surface irradiée de l'échantillon situé au centre du goniomètre. Le faisceau est focalisé par une fente réceptrice placée devant le détecteur qui enregistre l'intensité. L'anode du tube à rayons X, les cristallites de l'échantillon participant à la diffraction et la fente du détecteur se trouvent sur le cercle de focalisation. Le détecteur effectue un déplacement 2* tandis que celui de l'échantillon est *. Les rayons X collectés par le détecteur sont convertis en impulsions électriques qui permettent de tracer les diagrammes de l'intensité du rayonnement diffracté en fonction de l'angle de diffraction, I=f(2*) qui sont la base de l'analyse.
Analyse de phases
La diffraction X permet à partir de la structure cristalline de mettre en évidence la nature des phases en présence. La recherche de phase s'effectue par analyse du spectre et comparaison à des fiches étalons en attribuant un facteur de mérite qui qualifie la justesse de la comparaison. L'exemple suivant montre un changement de réseau cristallin. En effet, le constituant FeO présente les spectres d'un matériau cubique tandis que ce même constituant saturé en oxygène devient tetragonal et présente des pics doubles caractéristiques de ce réseau .
Analyse de contraintes
La diffraction X permet de déterminer les distances interréticulaires dans les matériaux cristallisés. Ainsi, si on utilise le réseau cristallin comme jauge de déformation, il est possible de déterminer les contraintes internes dans les différentes phases d'un matériau déformé. Ces contraintes sont liées à des déformations élastiques du réseau cristallin. Au travers de la loi de BRAGG les variations de la distance interréticulaire dues aux déformations macroscopiques se manifestent par un déplacement des pics de diffraction, tandis que les microdéformations se manifestent par un élargissement des raies. Les effets sont d'autant plus importants que l'angle de diffraction 2* est proche de 180°. On observe généralement une superposition des macro- et des microdéformations qui complique de dépouillement.
Mesures de textures
L'élaboration des échantillons pour les poudres, la mise en forme des pièces mécaniques ou leur solidification donnent souvent naissance à des orientations préférentielles. Ces dernières peuvent être visualisées sur les diffractogrammes. En effet, bien que la position angulaire corresponde à la fiche étalon, les rapports entre les intensités diffractées peuvent être modifiés jusqu'à l'extinction de certaines raies. Les orientations préférentielles, ou textures, sont généralement représentées par des figures de pôles. Elles consistent à mesurer l'intensité diffractée pour une famille de plans {hkl} dans toutes les directions, et à en donner une représentation bidimentionnelle sous la forme d'une projection stéréographique, nommée figure de pôles (figure 4). La mesure de figures de pôles pour plusieurs familles {hkl} permet de calculer la Fonction de Distribution des Orientations qui donne une représentation tridimentionnelle de la texture.
Analyse des surfaces
* Incidence rasante
Les méthodes d'analyse par rayons X font intervenir une profondeur de pénétration des rayons X comprise entre le micromètre et le millimètre. Par contre, en incidence rasante, la profondeur irradiée diminue proportionnellement à l'angle d'incidence du faisceau de rayons X.
L'analyse en incidence rasante s'effectue à angle * fixe, seul le détecteur se déplace. Elle permet même de déterminer la composition de couches d'une épaisseur de quelques couches monoatomiques car la diminution de la profondeur d'irradiation est non seulement due à la géométrie du montage, mais également à l'effet de réflexion totale.
Dans un cas plus général on identifie les phases présentes dans des couches d'épaisseur comprise entre 2 et 100 nm.
* Réflectométrie X
La réflectométrie est un phénomène optique présent pour les rayons X aux faibles angles d'incidence, qui provient essentiellement de la réflexion du faisceau de rayons X sur l'échantillon. Elle constitue une excellente méthode non destructive de l'analyse d'échantillons sous forme de couches minces en permettant de déterminer les rugosités interfaciales et les épaisseurs des différentes couches comprises entre 5 et 500 nm, avec une précision de 0,1 à 1%.
La réflectométrie X consiste à irradier la surface d'un échantillon par un faisceau de rayons X parallèle et monochromatique et d'étudier la variation de l'intensité en fonction de l'angle d'attaque de la surface (jusqu'à 5° en 2*). Le domaine d'étude du balayage angulaire *-2* est limité dans sa partie inférieure par l'angle critique *c de la reflexion totale qui est fonction de l'indice de réfraction de l'échantillon. Au delà de *c, l'intensité chute rapidement tout en oscillant (franges de Kiessig). Ces oscillations résultent du phénomène d'interférence entre les ondes réfléchies par les différents dioptres (air-couche et couche-substrat) et leurs positions angulaires sont fonction de l'épaisseur de la couche. L'exemple ci-après , présente un diffractogramme d'un échantillon de SiO recouvert d'une couche de TiN de 78 nm et d'une couche de Ti de 15 nm qui sont à l'origine des oscillations de la courbe.
Joel KRIER et Norbert BROLL, ENSAIS Laboratoire Métallurgie,
Corrosion, Matériaux
24 Boulevard de la Victoire 67000 STRASBOURG