Techniques de caractérisation structurale

Différentes techniques de caractérisation ont été utilisées. Elles permettent de s’assurer du caractère amorphe des échantillons élaborés, de connaître leurs différentes températures de transition caractéristiques (Tg, Tx et Tp), et d’obtenir plus d’informations sur la cinétique de

cristallisation de l’alliage étudié.

II.3.1. Diffraction des rayons X (DRX)

La diffraction des rayons X est une technique de base de la caractérisation et identification la nature et la structure des produits cristallisés (cristaux, minéraux,argiles…) du fait que leurs atomes sont arrangés selon des plans cristallins spécifiques [3]. Elle donne des renseignements sur l’orientation préférentielle, paramètre de maille, et sur l’existence des contraintes (tension ou compression). Cette technique repose sur l’interaction d’un faisceau de rayon X monochromatique, émis par une source, avec l’échantillon à analyser.

(a) (b)

Figure II.4.(a) Diffractomètre Bruker D8 (b) schéma représentatif du principe de diffraction des rayons X

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Lorsqu’un faisceau de photons X interagit avec un échantillon cristallin, une partie du rayonnement est diffractée (de longueur d’onde du rayonnement incident λ) selon des angles définis θ, dont les valeurs sont directement reliées aux distances “d” entre les plans réticulaires, par la loi de Bragg :

2dℎ𝑘𝑙 sin𝜃 = 𝑛λ (𝐈𝐈. 𝟏)

avec λ la longueur d’onde du rayon X utilisé, θ l’angle d’incidence (angle de Bragg), n le nombre d’onde (entier) et d l’espacement des plans réticulaires appartenant à une mêmefamille.

La figure II.4(b) donne le schéma du principe de la diffraction X par une famille de plans

réticulaires (hkl). Les pics mis en évidence doivent être alors comparés aux tables internationales des fiches JCPDS-ICDD « Joint Committee of Powder Diffraction Standard

International Centre for Diffraction Data ». On peut alors, parcomparaison avec ses fiches, établir les plans diffractés et l'orientation des couches réalisées.

Les mesures de diffraction des rayons X de nos échantillons ont été obtenues à l’aided’un diffractomètre du type Bruker D8 (Figure II.4(a)) de géométrie Bragg-Brantano (-2) en utilisant la radiation monochromatique CuKα de longueur d’onde λ = 0.154056 nm. Les rubans

vitreux ont été placés assez près les uns des autres avec une surface d'au moins 1 cm2. Pour avoir un bon comptage lors de l’enregistrement des spectres DRX, nous avons choisi un pas angulaire : 2 = 0.02°, avec un temps de comptage de 9 s pour chaque incrément angulaire. Cette technique a permis entre autres, la détermination des paramètres cristallins de nombreux matériaux et de mettre en évidence les imperfections microstructurales.

II.3.2. Microscopie électronique à balayage (MEB)

Le Microscope Electronique à Balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en anglais) est un outil d'observation morphologique qui consiste à envoyer un faisceau accéléré (1 à 40 kV) d'électrons sur l'échantillon à observer. Ce faisceau peut balayer, suivant deux directions, la surface de l'objet à analyser. Le signal détecté est transmis à un écran dont le balayage est synchrone de celui du faisceau. Le signal détecté est produit par certains électrons qui ont interagi avec la matière. Ceci permet, en sélectionnant les différents types d'électrons, d'obtenir soit une image du contraste topographique (électrons secondaires), soit de

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visualiser le contraste chimique (électrons rétrodiffusés) de l'échantillon. Dans son mode de fonctionnement de base, ses caractéristiques principales se résument ainsi : Résolution de l’ordre de 1 m et grandissement variant de quelques unités à 50000 ou 100000, pour permettre l’examen d’échantillons massifs avec une très grande profondeur de champ, d’où une impression de vision tridimensionnelle. La figure II.5(a) donne une représentation schématique

de l’optique en microscopie MEB.

(a) (b)

Figure II.5. (a) Microscope électronique à balayage JEOL 6300 (b) schéma de principe d’un Microscope électronique à balayage

Dans notre étude, les images ont été prises par un microscope JEOL 6300 300 kV (Figure

II.5(b)) équipé avec une platine à effet Peltier motorisée (-5 °C à +55 °C), une caméra

infrarouge, un micro – injecteur et unmicro – manipulateur. La résolution des images peut aller jusqu’à 3584 x 3094 pixels (16 bits). L’image obtenue donne une vision topographique de la surface avec une profondeur de champ beaucoup plus importante qu’en microscopie optique. Une tension d’accélération de 10 kV a été utilisée de façon à éviter la dégradation de l’échantillon qui peut se produire si la vitesse d’impact des électrons incidents sur l’objet était trop grande. L’observation de l’état de surface des rubans cristallisé nous a permis d’avoir des informations importantes sur la cinétique de cristallisation de l’alliage étudié.

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II.3.3. Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC : Differential Scanning Calorimetry) est une technique qui permet de détecter les effets thermiques liés à des transformations ou évolutions microstructurales, y compris la cristallisation et la transition vitreuse des verres métalliques. Le principe de la mesure repose sur la comparaison des flux de chaleur (quantité d'énergie) ou des températures entre une référence inerte (Figure II.6(a)) (ici un porte échantillon vide) et un échantillon à caractériser qui subit des transformations de phase exo- ou endothermiques. Lors d’une expérience de calorimétrie, le thermogramme obtenu correspond à la dérivée de l’enthalpie par rapport à la température c’est-à-dire à la chaleur spécifique en fonction de la température. Dans le cas des verres ces mesures permettent de déterminer les températures de transition vitreuse Tg (début de l'événement endothermique) qui s’accompagne

d’une variation de la chaleur spécifique, suivie dans notre cas d’une température de cristallisation Tx (phénomène exothermique) à plus haute température. Les mesures

calorimétriques ont été réalisées à l'aide d'un calorimètre différentiel à balayage du type NETZSCH 404C (Figure II.6(b)) sous une atmosphère d’argon pur.

(a) (b)

Figure II.6. (a) Calorimétrie différentielle à balayage NETZSCH DSC 404C (b) schéma simplifié du principe de base de DSC

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La vitesse de montée en température que nous avons utilisée est de 0.5 °C/min, tandis que la précision de température est d’environ ± 0.01 °C. Toutes les températures caractéristiques ont été estimées avec une erreur standard supérieure à 0.2 °C. Les échantillons analysés dans le domaine de températures 25 – 400 °C ont typiquement une masse de 16 (± 2) mg.