Présentation

Article

1 - SPECTROSCOPIE RAMAN

2 - DÉFAUTS DANS LES MATÉRIAUX ET LEUR DÉTECTION PAR SPECTROSCOPIE RAMAN

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE

5 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : E6322 v1

Spectroscopie Raman
Spectroscopie Raman des défauts dans les matériaux

Auteur(s) : Marc D. FONTANA, David CHAPRON, Thomas H. KAUFFMANN, Patrice BOURSON

Date de publication : 10 avr. 2017

Pour explorer cet article
Télécharger l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !

Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Les défauts jouent un rôle important dans les propriétés des solides. Que leur effet soit bénéfique (cas des dopants) ou non, leur étude est un enjeu essentiel pour la maîtrise et l’optimisation des matériaux. La spectroscopie Raman est une technique d’analyse de milieux permettant d’accéder à la structure par la caractérisation des vibrations des molécules. L’objectif de cet article est de décrire les effets causés par les défauts sur le spectre Raman: les modifications des raies propres de la matrice hôte, par l'apparition de raies spécifiques, ou par l’activation de raies normalement interdites par les règles de sélection.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

ABSTRACT

Raman spectroscopy of defects in materials

Defects play an important role in the properties of solids. The effects of defects in solids, whether positive or negative, are a key issue for the control and optimization of materials. Raman spectroscopy is an analysis tool that allows the study of a structure via the characterization of molecular vibrations. This article describes the effects that defects cause in Raman spectra: changes in the lines specific to the host, occurrence of new lines, or activation of lines in principle forbidden by the Raman selection rules.

Auteur(s)

  • Marc D. FONTANA : Professeur des Universités - Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes, (LMOPS EA 4423), Université de Lorraine & CentraleSupélec, Metz, France

  • David CHAPRON : Maître de Conférences - Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes, (LMOPS EA 4423), Université de Lorraine & CentraleSupélec, Metz, France

  • Thomas H. KAUFFMANN : Ingénieur de Recherche - Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes, (LMOPS EA 4423), Université de Lorraine & CentraleSupélec, Metz, France

  • Patrice BOURSON : Professeur des Universités - Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes, (LMOPS EA 4423), Université de Lorraine & CentraleSupélec, Metz, France

INTRODUCTION

La spectroscopie Raman est un outil d’analyse physico-chimique de milieux très divers (solides ou liquides, organiques ou minéraux, semi-conducteurs ou isolants, cristaux ou verres, polymères, etc.) qui nous renseigne sur la structure : liaisons chimiques, arrangement cristallin, symétrie, phase... À ce titre, le spectre Raman fournit une empreinte du composé analysé permettant ainsi une identification d’une substance dans un mélange ou un matériau hétérogène. Elle est par conséquent employée dans de larges domaines d’application : chimie, biologie, physique, archéologie et même sur Mars.

La structure d’un milieu étant sensible à l’environnement (contrainte, température…), la spectroscopie Raman peut aussi être utilisée pour extraire un paramètre physique externe ou interne au milieu : déformation, concentration et composition d’un produit, caractéristiques d’une transition de phase, degré d’ordre d’une structure, anharmonicité, etc. On parle ainsi de plus en plus de capteurs Raman. Pour cela, il est possible de mettre à profit l’une ou l’autre des caractéristiques d’une raie Raman : position du maximum, largeur et intensité. Enfin, par un choix judicieux des éléments optiques lors de la mesure, la spectroscopie Raman est adaptée à des études multi-échelles.

Les récentes innovations technologiques (laser, filtres de réjection, détecteurs) confèrent désormais à la spectroscopie Raman de nombreux avantages pour des mesures aussi bien en surface qu’en volume. La miniaturisation des instruments a permis de diversifier les produits (appareils transportables et portables) et les applications qui étaient cantonnées, il y a dix ans, presque exclusivement au domaine de la recherche en laboratoire.

La spectroscopie Raman est une technique non destructive et non invasive, permettant des mesures à la fois à travers un contenant et déportées via des fibres optiques, avec des temps compatibles avec les réactions chimiques ou les processus industriels. Aussi, elle est à présent parfaitement adaptée à des études en milieu industriel, en particulier à des analyses in situ, et même en milieux hostiles. Par ailleurs, les améliorations continues dans les capacités de traitement des données via des logiciels (par exemple de chimiométrie) ouvrent des champs importants d’études en temps réels. Ceci a également permis d’importants progrès pour les études de cartographie, rendant l’imagerie Raman beaucoup plus facilement accessible. La spectroscopie Raman est donc naturellement une technique de choix pour des études de défauts fournissant des informations utiles sur l’incorporation et la localisation de dopants, le mélange de phases, l’inhomogénéité, etc. Cela permet de connaître et de mieux maîtriser les propriétés de matériaux ou d’optimiser le processus de leur élaboration.

L’objectif de cet article est de décrire et d’expliquer les différents effets possibles de défauts sur le spectre Raman de matériaux solides. Dans une première partie, les principes fondamentaux qui régissent la spectroscopie Raman dans le cas « idéal », c’est-à-dire d’un milieu non perturbé, sont présentés ainsi que les règles de sélection. L’accent est mis sur le profil de raie, ainsi que ses modifications, qui peuvent avoir des origines diverses, indépendamment de l’influence propre des défauts. Dans une seconde partie, l’impact de défauts ponctuels ou étendus sur le spectre Raman est décrit en termes de perturbation du spectre du milieu hôte, ou de l’activation de raies interdites ou encore de la détection de raies propres au défaut. Ces différents cas sont ensuite illustrés par des exemples choisis plus particulièrement dans le domaine des polymères et celui des matériaux optiques.

Un glossaire de sigles et une liste des symboles utilisés sont présentés en fin d’article.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

KEYWORDS

defects   |   Raman Spectroscopy   |   polymers   |   optical materials

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6322


Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(218 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

1. Spectroscopie Raman

1.1 Fondements

HAUT DE PAGE

1.1.1 Principes physiques

L’effet Raman provient de la diffusion inélastique d’un faisceau lumineux par un milieu (gaz, liquide ou solide). La différence d’énergie entre le photon incident de longueur d’onde λ i et le photon diffusé de longueur d’onde λ d est exactement égale à l’énergie de vibration (ou de rotation) de la molécule diffusante. Cet échange d’énergie permet sous certaines conditions d’accéder aux différents états d’énergie vibrationnelle (ou rotationnelle) d’une molécule ou d’un réseau cristallin : l’enregistrement de l’intensité de cette lumière diffusée en fonction de la différence d’énergie constitue le spectre Raman [P2865].

Cet écart ou décalage Raman (Raman shift) s’exprime non pas en énergie, mais en nombre d’onde (en cm–1) avec :

.

Toutefois, il est d’usage de dire que le spectre Raman fournit les fréquences des modes de vibration d’une molécule ou d’un réseau cristallin.

On décrira donc physiquement le phénomène d’interaction laser-milieu en termes de fréquence de mode de vibration, bien que l’on détermine expérimentalement un nombre d’onde. Mais, on prendra garde aux unités : 33 cm–1 ≈ 1 THz. La spectroscopie Raman (SR) fait donc partie des spectroscopies vibrationnelles comme la spectroscopie Brillouin et l’absorption ou la réflectivité infrarouge. Le premier spectre Raman a été observé en 1928 par C.V. Raman et ses collaborateurs ...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(218 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS

Lecture en cours
Spectroscopie Raman
Sommaire
Sommaire

BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RAMAN (C.V.), KRISHNAN (K.S.) -   A new type of secondary radiation.  -  Nature 121 (3048), 501-502 (1928).

  • (2) - NAKAMOTO (K.) -   Infrared and Raman spectra of inorganic and coordination compounds, Parts A and B,  -  ISBN : 978-0-471-74493-1, Wiley (2009).

  • (3) - WALTON (P.H.) -   Chimie et théorie des groupes.  -  De Boeck (ed.) Sauvage (trad.) (2001).

  • (4) - POILBLANC (R.), CRASNIER (F.) -   Spectrosocpie infrarouge et Raman.  -  EDP Sciences (2006).

  • (5) - SOCRATES (G.) -   Infrared and Raman Characteristics Group Frequencies – Tables and Charts.  -  John Wiley and Sons, third ed., (2001).

  • (6) - SIEBERT (F.), HILDEBRANDT (P.) -   Vibrational Spectroscopy in Life Science.  -  Wiley (2007).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

LMOPS – Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes

http://www.lmops.univ-lorraine.fr

GFSV – Groupement français de spectroscopie vibrationnelle

http://www.gfsv.net/gfsv

CMDO+ – Cristaux, Micro-nano-structures et Dispositifs pour l’Optique

http://cmdo.cnrs.fr

HAUT DE PAGE

2 Événements

GFSV Conférence annuelle – Groupement français de spectroscopie vibrationnelle

Le GFSV est une association française qui rassemble les utilisateurs de spectroscopie vibrationnelle. Ce groupement organise un colloque annuel sur plusieurs jours.

CMDO+ – Cristaux, Micro-nano-structures et Dispositifs pour l’Optique

Le CMDO+ organise des formations et un colloque annuel dans les domaines de la synthèse, de la caractérisation et des applications sur les matériaux pour l’optique.

HAUT DE PAGE

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94% à découvrir.

Pour explorer cet article
Téléchargez l'extrait gratuit

Vous êtes déjà abonné ?Connectez-vous !


L'expertise technique et scientifique de référence

La plus importante ressource documentaire technique et scientifique en langue française, avec + de 1 200 auteurs et 100 conseillers scientifiques.
+ de 10 000 articles et 1 000 fiches pratiques opérationnelles, + de 800 articles nouveaux ou mis à jours chaque année.
De la conception au prototypage, jusqu'à l'industrialisation, la référence pour sécuriser le développement de vos projets industriels.

Cet article fait partie de l’offre

Optique Photonique

(218 articles en ce moment)

Cette offre vous donne accès à :

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques

Des services

Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources

Un Parcours Pratique

Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses

Doc & Quiz

Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive

ABONNEZ-VOUS