Présentation
En anglais
Auteur(s)
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Irène NENNER : Service des photons, atomes et molécules, DSM/DRECAM, Centre d’études de Saclay
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Jean DOUCET
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Hervé DEXPERT : Laboratoire pour l’utilisation de rayonnement électromagnétique (LURE), laboratoire mixte CNRS, CEA, MESR
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le rayonnement synchrotron, lumière émise par des électrons ou des positrons relativistes et soumis à une accélération centripète fournit un très large spectre de longueurs d’onde depuis l’infrarouge lointain jusqu’aux rayons X. La nouvelle génération de machines spécialement conçues pour l’utilisation de cette lumière a ouvert, à une large communauté de scientifiques de laboratoires publics et privés, une grande variété de méthodes d’investigation de la matière condensée qui complètent et vont au-delà des méthodes classiques. La continuité spectrale et l’utilisation en faisceau monochromatique, la brillance de la source, sa structure temporelle, sa polarisation linéaire ou circulaire, ses propriétés de cohérence ont donné une nouvelle dimension aux études des propriétés structurales, électroniques, magnétiques de la matière à un niveau de résolution extrême. Les méthodes de caractérisation et d’analyse basées sur l’absorption, la diffusion-diffraction du rayonnement avec de nombreuses variantes, ou encore sur la fluorescence X et la photoémission, sont décrites avec différents exemples d’application choisis dans les secteurs de la catalyse, l’électrochimie, l’adhésion, la biocristallographie, la métallurgie ou encore les matériaux magnétiques artificiels. Les technologies et l’instrumentation associées au rayonnement synchrotron et au laser à électrons libres dans l’infrarouge, tels que les techniques d’imagerie, de microscopie et de lithographie beaucoup plus récemment développées en France ou à l’étranger sont présentées et illustrées par des exemples empruntés à la médecine, la chimie, l’électrochimie, la micromécanique. Enfin, le laser à électrons libres, qui peut être considéré comme une retombée du développement du rayonnement synchrotron, est décrit comme une autre nouvelle source de lumière. Les performances de la version infrarouge de ce laser sont illustrées par des applications en électrochimie et en microscopie à effet tunnel.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1989 par Irène NENNER, Hervé DEXPERT, Michel BESSIÈRE
- Version courante de mars 2011 par Jean DOUCET, José BARUCHEL
DOI (Digital Object Identifier)
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Autres technologies et instrumentations associées au rayonnement synchrotron
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2. Techniques de caractérisation et d’analyse
2.1 Introduction
Schématiquement, les longueurs d’onde de quelques centaines de nanomètres à quelques nanomètres (ultraviolet proche : λ > 105 nm) correspondent à des énergies de transition électronique. Les longueurs d’onde plus courtes (quelques dixièmes à quelques centièmes de nanomètre) des rayons X durs sont de l’ordre de grandeur des distances interatomiques. Ainsi, en choisissant correctement la longueur d’onde, le rayonnement synchrotron peut être adapté à l’étude des propriétés électroniques ou à la description des structures des matériaux.
La figure 5 schématise les différents processus d’interaction matière-rayonnement soit avec des molécules adsorbées sur une surface, soit avec des matériaux condensés (solides ou liquides). De façon très simplifiée, on peut classer les processus de la façon suivante.
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Diffraction-diffusion : certains photons X sont réémis sans changement d’énergie dans plusieurs directions de l’espace qui dépendent de la structure atomique du matériau et de son orientation par rapport au faisceau incident. Lorsque l’on a affaire à un matériau non ordonné (liquide, amorphe), le phénomène s’appelle diffusion et lorsque le matériau est ordonné à l’échelle atomique (ordre cristallin), il apparaît alors des interférences constructives entre les faisceaux diffusés et le phénomène s’appelle diffraction.
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Réflexion : sous incidence rasante pour les rayons X et sous angle plus important pour les rayonnements plus mous, certains photons sont réfléchis par les surfaces.
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Absorption : seule une partie du faisceau incident traverse l’échantillon sans modification, le reste est absorbé ou réémis selon différents phénomènes. Un certain nombre de techniques sont basées sur la mesure du coefficient d’absorption en fonction de la longueur d’onde.
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Fluorescence : c’est la réémission de photons d’énergie plus faible que l’énergie incidente suite à des processus au niveau de la structure électronique de l’atome (fluorescence X), ou au niveau des liaisons chimiques (fluorescence UV). Les longueurs d’onde des faisceaux...
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