Les lignes de lumière

Elles sont basées sur la déviation angulaire des photons X par la matière. Les photons déviés peuvent interférer et donner lieu à une répartition très particulière des faisceaux dans l’espace lorsque les atomes et molécules sont agencés avec une certaine régularité, en particulier dans les cristaux. L’analyse de la répartition angulaire et des intensités des faisceaux permet de remonter à cet agencement, et d’en suivre les modifications induites par différents facteurs : produits chimiques, contraintes mécaniques, température, pression, etc. Ces techniques sont donc de puissants outils de recherche pour comprendre les propriétés des matériaux, les identifier ou encore contrôler leur qualité après fabrication, en fonctionnement et au cours du vieillissement.
La diffraction des rayons X s’utilise pour les matériaux cristallisés (cristal unique ou poudre cristalline) ou partiellement cristallisés (fibres, systèmes lamellaires, etc.). La diffusion des rayons X aux petits angles est adaptée à l’étude des matériaux hétérogènes, composites, suspensions, colloïdes.
 

*Lignes CRG françaises de l'ESRF à Grenoble

Les spectroscopies, qu’elles concernent les domaines de l’infrarouge, de l’ultraviolet ou des rayons X, fournissent des informations sur le nature des éléments chimiques, le degré d’oxydation, la nature des molécules ou groupements chimiques, l’environnement d’un atome donné, ces différents paramètres pouvant être suivis en temps réel, pendant des réactions chimiques par exemple. Les spectroscopies constituent donc de précieuses sondes pour révéler la nature chimique et suivre les modifications chimiques dans des conditions très variées, pour tous types de matériaux.
Dans le domaine des rayons X, les techniques sont la fluorescence X pour la détection des éléments, la spectroscopie d’absorption près du seuil (XANES) pour la mesure du degré d’oxydation et la spectroscopie d’absorption (EXAFS) pour l’analyse de l’environnement chimique local autour d’un atome donné. Elles se pratiquent sur tous les types d’échantillons: cristallin, amorphe, liquide ou gazeux.
Les spectroscopies infrarouge et ultraviolet sont sensibles aux fonctions chimiques et bien adaptées à l’analyse des matériaux organiques et biologiques, notamment à leur identification, au suivi des processus de diffusion et aux transformations de toutes sortes qu’ils peuvent subir.
 

*Lignes CRG françaises de l'ESRF à Grenoble

La spectroscopie de photoémission d’électrons permet d’étudier les propriétés électroniques des surfaces, des films minces et des interfaces. La lumière synchrotron bénéficie particulièrement à cette technique grâce à l’accordabilité en énergie, la polarisation et la brillance du rayonnement. Ainsi, le choix de l’énergie autour du seuil d’ionisation d’une couche interne de l’élément étudié augmente considérablement la sensibilité, ce qui est très important pour caractériser des couches minces ou des interfaces enterrées. La technique de photoémission couplée à un microscope électronique conduit à la technique PEEM, dont la résolution est de quelques dizaines de nanomètres.
Des optiques particulières permettent de transformer la polarisation linéaire naturelle de la lumière synchrotron en polarisation circulaire. La technique de dichroïsme circulaire magnétique (XMCD), basée sur la mesure de la différence des spectres d’absorption en énergie en polarisation circulaire droite et gauche, fournit des informations sur les propriétés magnétiques de l’atome sondé, comme son spin et son moment magnétique orbital.
 

La première famille concerne l’imagerie par balayage qui s’applique à presque toutes les techniques de diffraction / diffusion et de spectroscopie décrites ci-dessus. La possibilité d’obtenir des faisceaux de lumière synchrotron de quelques dizaines de nm à quelques µm, selon les énergies, permet de cartographier les échantillons et d’en obtenir des visualisations structurales, chimiques ou encore magnétiques.
La deuxième famille est celle des microscopies X plein champ. Leur résolution spatiale est moins bonne que celle de la microscopie électronique, en revanche elles permettent de s’affranchir de préparations spécifiques des échantillons et même de travailler en environnement naturel, aqueux par exemple.
La troisième famille comprend les techniques de type radiographique. La faible taille des sources, le caractère monochromatique et la faible divergence de la lumière synchrotron conduisent à un accroissement du contraste et à une meilleure finesse par rapport aux images fournies par les appareils classiques. Les images de morphologie obtenues sont soit des projections classiques sur un plan, soit des reconstructions tomographiques à trois dimensions.