Caractérisation des pyrocarbones

De nombreuses techniques

Il existe de nombreuses manières de caractériser les pyrocarbones, qui sont complémentaires les unes des autres.

La Microscopie Optique en Lumière Polarisée est la méthode la plus traditionnelle de caractérisation. Elle se fait sur un pyrocarbone déposé sur fibre, vu perpendiculairement à l’axe de la fibre, ce qui donne un motif de type « croix de Malte » entre polariseur et analyseurs croisés. Deux informations sont obtenues :

  • L’angle d’extinction (Ae) tel que la croix de Malte s’éteigne. Plus il est élevé, plus le carbone est anisotrope;
  • La morphologie des bords de la croix de Malte, qui a donné les noms traditionnels (Lisse, Rugueux)

La diffraction des rayons X (DRX) permet d?évaluer le degré d’anisotropie et de texturation à travers quelques indicateurs : présence ou non de pics 101 et surtout 112 caractéristiques de l’ordre cristallin graphitique (par opposition à l’ordre turbostratique, de plus basse dimensionnalité, pour lequel il n’existe que des bandes asymétriques 10 et 11 en plus des réflexions 00l), valeur de la distance interplanaire d002 (Å), qui est toujours plus grande dans le turbostratique que dans le graphite parfaitement cristallin, largeur du pic 002, qui traduit l’extension des domaines structuralement parfaits (« cohérents »du point de vue des rayons X), …
La spectroscopie Raman permet d’obtenir une grande richesse d’information sur les carbones. Deux bandes principales sont obtenues: la bande G (graphitique) et la bande D (défauts), absente du graphite idéal. On obtient plusieurs informations :

  • La largeur des bandes, par exemple D : FWHMD, qui renseigne sur la densité de défauts de petite taille
  • Le rapport d’anisotropie RA entre les hauteurs de raie avec et sans analyseur derrière le polariseur, qui donne une information à plus grande distance
  • Le rapport d’intensité IG / ID qui donne également un dosage des défauts
Classification of pyrocarbons by Raman spectroscopy

Classification of pyrocarbons by Raman spectroscopy

La microscopie électronique en transmission permet d’obtenir diverses caractérisations sur les carbones. En fond noir (DF) 002, on peut choisir d’allumer exclusivement les empilements de graphènes alignés suivant une certaine direction, ce qui permet une évaluation de l’anisotropie en comparant quantitativement deux images obtenues en choisissant deux directions perpendiculaires.

TEM LF in two directions of anisotropy

Quantification of anisotropy from TEM DF imaging w/ 2 directions

En mode Franges de réseau (LF), on obtient une visualisation de la nanotexture du matériau ; une analyse de Fourier permet d’obtenir une information quantifiée sur la statistique du désordre d’orientation au sein des domaines anisotropes.

Lattice Fringe HRTEM Imaging & Analysis

Lattice Fringe HRTEM Imaging & Analysis

La diffraction d’électrons en aire sélectionnée, obtenue sous microscope électronique à transmission, donne une information quantitative sur l’anisotropie du matériau sur une dimension de quelques microns : l’ouverture angulaire (AO, en °) des arcs 002 (associés aux plans (001)).

SAED Arc Opening Analysis

SAED Arc Opening Analysis

La diffusion des neutrons et RX aux petits angles permet d’obtenir une information sur l’environnement atomique dans les carbones. Mais l’information est très locale !!

One PDF, two distinct carbon models

One PDF, two distinct carbon models

 

Nos équipes ont une longue expérience dans la caractérisation des pyrocarbones. Nous avons développé des méthodes d’analyse quantitative (SAED, anisotropie en HRTEM – DF, transformée de Fourier de l’image HRTEM – LF, …) et nous avons inventé la méthode « IGAR »

 

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