Amélioration significative de la précision des mesures par EXAFS

Le mécanisme prépondérant d’absorption des rayons X par les matériaux est l’ionisation ou effet photoélectrique : un photon est absorbé par un atome qui est alors porté de son niveau fondamental à un niveau situé au-delà de son seuil d’ionisation ce qui a pour conséquence l’émission d’un photoélectron. Si l’atome est isolé, le coefficient d’absorption reste monotone. En revanche, dans le cas d’un solide, l’onde électronique sortante de l’atome central peut interférer avec celles réfléchies par les atomes voisins. Ces interférences se traduisent sur le coefficient d’absorption par la présence d’oscillations qui s’étendent sur environ 1 000 eV après le seuil d’absorption. Ces oscillations sont à l’origine du signal EXAFS (pour « Extended X-ray Absorption Fine Structure »).

La spectroscopie par EXAFS consiste à mesurer ces variations du coefficient d’absorption des rayons X d’un échantillon en fonction de l’énergie incidente, au-delà du seuil d’ionisation d’un élément choisi de l’échantillon. Il s’agit donc d’une méthode d’analyse structurale et spectroscopique sensible à la position, à la nature et au nombre d’atomes situés à proximité d’un seul élément chimique. L’EXAFS peut donc être utilisé pour identifier les distances interatomiques, et leurs variations, dans les matériaux. Elle nécessite des sources de rayons X très intenses, telle la source de lumière de troisième génération disponible à l’« European Synchrotron Research Facility » (l’ESRF situé à Grenoble). Jusqu’à présent, la précision des mesures de distance interatomique par EXAFS oscillait entre 0,01 et 0,001 Å en fonction des circonstances. Mais une équipe composée de chercheurs des universités britanniques de Sheffield et de Warwick ainsi que de l’ESRF a annoncé l’obtention d’une précision bien supérieure, dans le cadre de mesures de magnétostriction différentielle (la magnétostriction est le phénomène de déformation élastique qui accompagne l’aimantation). La limitation de la précision de la mesure EXAFS est due à la fois aux erreurs statistiques mais également à la stabilité de l’énergie du faisceau de rayons X. En effet, un décalage d’énergie de 0,01 eV entre deux mesures peut donner naissance à des signaux comparables à ceux correspondant au phénomène de magnétostriction. Pour surmonter cette difficulté, l’équipe de chercheurs a utilisé le spectromètre dispersif d’absorption des rayons X (ID24) de l’ESRF : ce spectromètre n’ayant pas de partie mobile est plus stable qu’un instrument à balayage conventionnel et permet l’acquisition rapide de mesures comparatives. Les mesures ont été effectuées sur des couches minces d’un alliage FeCo placées entre deux aimants produisant un champ magnétique. Les chercheurs ont ainsi obtenu une sensibilité au déplacement atomique différentiel de l’ordre d’un femtomètre (soit 10-15 mètre ou 0,00001 Å), soit une amélioration d’un facteur cent par rapport aux mesures habituelles. Selon les chercheurs de l’équipe, la mise en évidence de la possibilité d’atteindre une telle résolution et la puissance de l’EXAFS pour examiner les changements de la structure locale entourant un type d’atome particulier, ouvrent de nouvelles perspectives. Par exemple, la contrainte de magnétorésistance locale entourant un élément terre rare comme le terbium et le dysprosium dans le Terfenol-D, un matériau commercial magnétostrictif, pourrait permettre de vérifier l’origine des contraintes créées par l’asymétrie de l’atome de terre rare. Cette information serait difficile à obtenir par d’autres techniques : la diffraction de rayons X, par exemple, donne les valeurs de paramètre de réseau avec une grande précision mais il est plus difficile d’obtenir des précisions du même ordre sur les valeurs différentielles des positions des atomes dans la cellule élémentaire. De même, la diffusion de rayons X ne pourrait pas fournir ce genre d’information pour des matériaux amorphes. D’autres domaines pourraient bénéficier de cette avancée, par exemple les matériaux piézoélectriques présentant des unités élémentaires complexes, l’élasticité des matériaux ou les transitions de phase.


Sources : Nature, vol 435, 5 mai 2005, p. 78-81, www.nature.com ; Sheffield University, 4/05/05, www.shef.ac.uk/mediacentre/2005/365.html ; ESRF, www.esrf.fr.


Auteur : Dr Anne Prost

publié le 09/07/2008

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