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Détecteurs à pixels hybrides : un nouvel outil pour mesurer la structure électronique des solides cristallins

5 février 2015

CRM2 - UMR7036

Des physiciens ont réalisé le premier diffractomètre à rayons X de laboratoire mettant en œuvre un détecteur à pixels hybrides. L’amélioration de la sensibilité en intensité qui en résulte permet une reconstitution deux fois plus précise des structures électroniques des solides cristallisés.

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La diffraction des rayons X, utilisée depuis un siècle pour déterminer les structures cristallines, permet aussi de déterminer la structure électronique des matériaux cristallins lorsque la qualité des mesures est suffisante. Actuellement, ces mesures sont effectuées à l’aide de détecteur CCD ou CMOS. Des physiciens du laboratoire Cristallographie, Résonance Magnétique et Modélisations - CRM2 (CNRS/Univ. de Lorraine), en collaboration avec la société ImXPAD, start-up issue du Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM), ont conçu et réalisé le premier diffractomètre à rayons X de laboratoire utilisant un nouveau type de détecteurs à rayons X : les détecteurs à pixels hybrides. Ceux-ci sont plus sensibles que les détecteurs traditionnels et ils ont en outre un bruit de fond négligeable et une dynamique quasi infinie. La mesure de diffraction à haute résolution du nitroprussiate de sodium, qu’ils ont réalisée pour tester ce nouveau détecteur, a permis de reconstituer la structure électronique de ce composé avec une précision environ deux fois supérieure aux meilleures mesures obtenues avec des détecteurs traditionnels. Ce travail est publié dans la revue Acta Crystallographica B.

Les détecteurs à pixel hybrides associent pour chaque pixel un capteur de rayons X et une chaine électronique complète de mesure. La conversion directe, dans le silicium du capteur, des photons X de longueur d’onde subnanométrique permet la détection individuelle de chaque photon absorbé. Une chaîne de mesure électronique complète, associée à chaque pixel, permet de discriminer en énergie les photons détectés et de les compter un par un, indépendamment, dans chaque pixel. La qualité des mesures effectuées sur le nitroprussiate de sodium à l’aide de ces détecteurs permet ainsi un gain d’environ deux en précision sur la reconstitution de la densité électronique du cristal analysé. Ceci a permis par exemple, pour la première fois de différencier les charges électroniques des ligands axiaux et équatoriaux et leur contribution à la population des orbitales d du Fer. Ce type de mesure, reposant actuellement sur l’utilisation de rayonnement synchrotron, devient désormais accessible à des laboratoires disposant de sources à rayons X plus conventionnelles. Les résultats de grande qualité obtenus avec cet appareillage constituent un véritable défi pour les théoriciens de la structure électronique.

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Carte de densité électronique de déformation et polyèdre de coordination du fer.
© CRM2


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Diffractomètre du CRM2 équipé du détecteur XPAD (à droite).
© CRM2
  • Voir le diffractomètre à rayons X du CRM2 (à partir de 1’25) :

Les recherches en cristallographie au CRM² from Kogito on Vimeo.

En savoir plus

XPAD X-ray hybrid pixel detector for charge density quality diffracted intensities on laboratory equipment
E. Wenger1, S. Dahaoui1, P. Alle1, P. Parois1,2, C. Palin1, C. Lecomte1 et D. Schaniel1 Acta Crystallographica B (2014)

Contact chercheur

Claude Lecomte, professeur émerite Université de Lorraine

Informations complémentaires

1 Cristallographie, résonance magnétique et modélisations (CRM2)
2 Chemical Crystallography, Chemistry Research Laboratory, Oxford

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr