09.06.2015 Views

Structure des Matériaux Partie I, Cristallographie - IUT Annecy

Structure des Matériaux Partie I, Cristallographie - IUT Annecy

Structure des Matériaux Partie I, Cristallographie - IUT Annecy

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

STRUCTURE DES MATERIAUX I<br />

CRISTALLOGRAPHIE<br />

CRISTALLOCHIMIE<br />

DIFFRACTION<br />

Représentation schématique de la structure du graphite<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I


Cristaux naturels de pyrite FeS 2<br />

Cristal de LiIO 3 (croissance en solution)<br />

La forme extérieure <strong>des</strong> cristaux, avec <strong>des</strong> faces parfaitement planes,<br />

<strong>des</strong> arêtes rectilignes, <strong>des</strong> angles entre les faces ou les arêtes<br />

particuliers et réguliers, est le reflet d’une organisation interne <strong>des</strong><br />

atomes ou <strong>des</strong> molécules.<br />

La cristallographie est la science qui décrit la forme, la croissance et<br />

l’organisation interne <strong>des</strong> cristaux.<br />

La cristallochimie établit le lien entre les propriétés chimiques <strong>des</strong><br />

éléments d’un cristal et son organisation interne.<br />

La diffraction est la technique la plus employée pour déterminer<br />

l’organisation interne d’un cristal, sa structure.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 2


NOTIONS DE CRISTALLOGRAPHIE<br />

L’ETAT CRISTALLIN……………………………………………….. 4<br />

LE RESEAU DE TRANSLATION……………………………………... 8<br />

LES OPERATIONS DE SYMETRIE…………………………………… 13<br />

LES SYSTEMES CRISTALLINS……………………………………… 19<br />

LES 4 SYSTEMES BIDIMENSIONNELS……………………………… 19<br />

LES 7 SYSTEMES CRISTALLINS……………………………………. 19<br />

LE VOLUME DE LA MAILLE……………………………………….. 20<br />

LES 14 RESEAUX DE BRAVAIS…………………………………….. 21<br />

POSITIONS ENGENDREES PAR LES TRANSLATIONS<br />

DU MODE DE RESEAU………………………………………... 25<br />

LES GROUPES D’ESPACE…………………………………………... 28<br />

DESCRIPTION D’UNE STRUCTURE…………………………………. 29<br />

NOTIONS DE CRISTALLOCHIMIE<br />

CLASSIFICATION DES STRUCTURES CRISTALLINES……………….. 36<br />

EMPILEMENTS COMPACTS………………………………………… 38<br />

LA COORDINENCE………………………………………………… 46<br />

LES COMPOSES IONIQUES…………………………………………. 47<br />

LES COMPOSES COVALENTS………………………………………. 50<br />

LES COMPOSES METALLIQUES……………………………………. 53<br />

LES TYPES STRUCTURAUX………………………………………… 54<br />

SUBSTANCES ADOPTANT PLUSIEURS STRUCTURES……………….. 55<br />

RELATIONS STRUCTURALES………………………………………. 57<br />

NOTIONS DE DIFFRACTION<br />

PLANS RETICULAIRES……………………………………………... 60<br />

FORMES CRISTALLINES ET PROPRIETES…………………..………..64<br />

RAYONNEMENTS UTILISES POUR L’ETUDE DES CRISTAUX…………66<br />

LA LOI DE BRAGG…………………………………………………. 67<br />

LES RAYONS X…………………………………………………….. 68<br />

DIFFUSION PAR UN ATOME A PLUSIEURS ELECTRONS…………….. 70<br />

DIFFRACTION……………………………………………………… 74<br />

EXTINCTION ET FACTEUR DE STRUCTURE………………………… 82<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 3


L’ETAT CRISTALLIN<br />

Gaz ≡ Particules sans interaction (gaz parfait) ou en<br />

interaction très faible ; évolution libre ou presque<br />

(CO 2 à température ambiante)<br />

Liquide ≡ Interactions attractives faibles et à courte distance<br />

(H 2 O à température ambiante)<br />

Solide ≡ Atomes ou molécules en interaction forte ; force<br />

de nature électrostatique<br />

(NaCl à température ambiante)<br />

La solidification, le passage de l’état liquide à l’état solide, si elle est<br />

suffisamment lente s’accompagne d’une mise en ordre à grande<br />

distance <strong>des</strong> atomes ou molécules, aussi parfaite que possible.<br />

Le résultat est ce que l’on appelle un cristal, où, autour de chaque<br />

atome, sont disposés d’autres atomes suivant un schéma rigoureux sur<br />

<strong>des</strong> distances macroscopiques.<br />

Distances macroscopiques : de la fraction de millimètre au centimètre.<br />

A comparer à la distance entre atomes dans un solide de l’ordre de<br />

l’Angström (1 Å = 10 -10 m = 0,1 nm).<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 4


Arrangement <strong>des</strong> atomes dans la structure de TlBa 2 CuO 5<br />

Image HREM du supraconducteur (Cu,C)Ba 2 Ca 2 Cu 3 O z<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 5


Image HREM d’un cristal de cordiérite Mg 2 Al 4 Si 5 O 18<br />

Substances cristallines<br />

minéraux, roches, métaux,<br />

briques, béton, céramiques,<br />

la plupart <strong>des</strong> substances<br />

organiques soli<strong>des</strong><br />

Substances non cristallines ou<br />

amorphes<br />

verres, caoutchoucs, résines<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 6


Un cristal est donc un solide qui possède une structure interne<br />

ordonnée à trois dimensions.<br />

La cristallographie est la science qui s’attache à étudier les soli<strong>des</strong><br />

cristallins et les principes qui gouvernent leur croissance, leur forme<br />

externe et leur structure interne.<br />

La caractéristique fondamentale de la matière cristallisée est la<br />

distribution périodique <strong>des</strong> atomes ou molécules dans l’espace.<br />

Les conséquences de ce qui précède sont qu’un cristal :<br />

- se compose de la répétition de blocs identiques, appelés<br />

motifs, dans les trois direction de l’espace et qui remplissent<br />

complètement ce dernier. La façon dont les motifs sont<br />

répétés définit la symétrie de translation. Un motif peut être<br />

constitué d’un ou plusieurs atomes, d’une ou plusieurs<br />

molécules.<br />

- est le siège de bien d’autres symétries liées à la position<br />

relative <strong>des</strong> atomes dans le motif et à la symétrie de<br />

translation..<br />

Les cristallographes ont défini un langage commun pour décrire les<br />

cristaux que nous allons maintenant expliciter.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 7


LE RESEAU DE TRANSLATION<br />

Cristal : Arrangement ordonné d’atomes ou de molécules<br />

Motif : Groupe d’atomes ou de molécules répété à intervalle<br />

régulier<br />

Réseau : Ensemble de points imaginaires, appelés nœuds,<br />

représentant la symétrie de translation.<br />

<strong>Structure</strong> :<br />

Motif ⊕ Réseau<br />

Remarque :<br />

Les nœuds du réseau de translation ne représentent<br />

pas <strong>des</strong> atomes. Il ne décrit que la périodicité de la<br />

structure, c’est-à-dire une propriété de symétrie.<br />

Le réseau est défini par un groupe de trois vecteurs de translation non<br />

coplanaires qui joignent les nœuds entre eux. Le groupe de vecteur<br />

n’est pas défini de manière unique.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 8


<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 9


Réseau bidimensionnel<br />

Maille : Parallélogramme formé par deux vecteurs de<br />

translation (a, b) non colinéaires joignant <strong>des</strong> nœuds<br />

du réseau.<br />

Il suffit de connaître le contenu d’une maille pour construire toute la<br />

structure au moyen <strong>des</strong> opérations de translation (répétition de la<br />

maille pour remplir la surface).<br />

Une maille simple ou primitive contient un seul nœud. Une maille<br />

contenant plusieurs nœuds est dite multiple. Toutes les mailles<br />

primitives ont la même surface. Une maille multiple contenant n<br />

nœuds a une surface n fois plus grande.<br />

On donne la préférence à la maille la plus petite en accord avec la<br />

symétrie de la structure.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 10


Trouver une maille primitive et une maille multiple dans chacun <strong>des</strong><br />

cas suivants. Qu’en est-il du motif ?<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 11


Réseau tridimensionnel<br />

Maille : Parallélépipède formé par trois vecteurs de translation<br />

(a, b, c) non coplanaires joignant <strong>des</strong> nœuds du<br />

réseau. Les trois vecteurs forment un trièdre direct.<br />

La maille peut être primitive ou multiple. Toutes les mailles primitives<br />

ont même volume… On choisit par convention la maille la plus petite<br />

en accord avec la symétrie de la structure.<br />

Pour décrire la maille, on donne généralement six paramètres : les<br />

longueurs <strong>des</strong> trois arêtes (a, b, c) et les trois angles (α, β, γ).<br />

La face A est<br />

formée par les<br />

vecteurs b et c<br />

(B par a et c, C<br />

par a et b).<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 12


Axes de rotation<br />

LES OPERATION DE SYMETRIE<br />

Un axe de rotation d’ordre n est une opération de symétrie qui consiste<br />

en une rotation de 2π/n autour de cet axe dans le sens trigonométrique.<br />

Une structure cristalline possède un axe de rotation d’ordre n si on<br />

peut l’amener en coïncidence avec elle-même par une rotation de 2π/n<br />

dans le sens inverse <strong>des</strong> aiguilles d’une montre (sens trigonométrique).<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

x<br />

1 2 3 4 6<br />

2π/1 ≡ 360 2π/2 ≡ 180° 2π/3 ≡ 120° 2π/4 ≡ 90° 2π/6 ≡ 60°<br />

Molécule de benzène et dérivés fluorés<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 13


Axes de rotation-inversion<br />

Une structure cristalline possède un axe de rotation-inversion d’ordre<br />

n si on peut l’amener en coïncidence avec elle-même par une rotation<br />

d’ordre de 2π/n suivie d’une inversion i par rapport à un point défini<br />

de l’axe.<br />

x o<br />

x<br />

o x o x<br />

o<br />

x o<br />

o<br />

x<br />

x<br />

o<br />

x<br />

x<br />

x<br />

1 2 ≡ m 3 ≡ 3 + 1 4 6 ≡ 3 + m<br />

2π/1 ≡ 360° 2π/2 ≡ 180° 2π/3 ≡ 120° 2π/4 ≡ 90° 2π/6 ≡ 60°<br />

+ i + i + i + i + i<br />

L’axe 2 est généralement appelé plan de réflexion m, ou miroir, le<br />

plan étant perpendiculaire à la direction de l’axe binaire et passant par<br />

le centre de symétrie.<br />

Octaèdre : axe 3<br />

Tétraèdre : axe 4<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 14


Les axes de rotation d’ordre 5, 7, 8 … sont incompatibles avec<br />

l’existence d’un réseau de translation. On ne peut pas paver une<br />

surface avec <strong>des</strong> pentagones, <strong>des</strong> heptagones ou <strong>des</strong> octogones.<br />

Preuve :<br />

La condition 2 cos(2π/X) = 2 CE/d = CE/d + DF/d = entier<br />

n’est réalisée que pour X = 1, 2, 3, 4 ou 6.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 15


Axes hélicoïdaux<br />

L’opération se compose d’une rotation de 2π/n suivie d’une translation<br />

d’une fraction m/n (m < n) de la période de translation dans la<br />

direction de l’axe de rotation. Les axes hélicoïdaux sont notés n m .<br />

Exemple : Si l’axe est parallèle à c,<br />

4 2 ≡ Rotation de π/2 autour de l’axe + translation 2/4 c.<br />

Il y a en tout 11 axes hélicoïdaux :<br />

- 2 1 ,<br />

- 3 1 , 3 2<br />

- 4 1 , 4 2 , 4 3 ,<br />

- 6 1 , 6 2 , 6 3 , 6 4 , 6 5 .<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 16


Plan de réflexion avec glissement<br />

L’opération se compose d’une réflexion par rapport à un plan, suivie<br />

d’une translation d’une fraction d’un vecteur de translation t parallèle<br />

à ce plan.<br />

2D : La droite de réflexion m peut être remplacée par une droite de<br />

réflexion avec glissement g, où la réflexion est suivie par une<br />

translation de t/2.<br />

3D : Le plan de réflexion miroir m peut être remplacé par :<br />

- un plan de glissement a, b, ou c (où l’opération est suivie<br />

d’une translation de a/2, b/2 ou c/2, respectivement),<br />

- un plan de glissement n (translation de la demi-diagonale<br />

d’une face (a+b)/2, (b+c)/2 ou (c+a)/2) ou,<br />

- un plan de glissement d (translation d’un quart de la grande<br />

diagonale de la maille (a+b+c)/4).<br />

La translation est toujours parallèle au plan de glissement.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 17


RESUME SUR LES OPERATIONS DE<br />

SYMETRIE<br />

Translation<br />

Réseau t = ua + vb + wc u,v,w entiers<br />

Rotation<br />

Axes de rotation 1 2 3 4 6<br />

Axes de rotation-inversion 1 2 3 4 6<br />

(≡ m)<br />

Rotation + Translation<br />

Axes hélicoïdaux 2 1 3 1 4 1 6 1<br />

3 2 4 2 6 2<br />

4 3 6 3<br />

6 4<br />

6 5<br />

Plan de symétrie<br />

Miroir<br />

m<br />

Plan de symétrie + translation<br />

Plans de glissement g (a, b, c, n, d)<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 18


LES SYSTEMES CRISTALLINS<br />

Seules certaines combinaisons d’axes de symétrie sont compatibles<br />

avec l’existence d’un réseau de translation. L’ordre de l’axe le plus<br />

élevé et l’orientation mutuelle <strong>des</strong> axes détermine à quel système<br />

cristallin une structure appartient. Chaque système cristallin possède<br />

donc une symétrie minimale spécifique et une maille caractéristique,<br />

décrite selon un choix conventionnel.<br />

LES QUATRE SYSTÈMES<br />

BIDIMENSIONNELS<br />

Système<br />

Oblique<br />

Symétrie Maille<br />

minimale<br />

Un axe d’ordre 1 Parallélogramme<br />

a, b, γ<br />

Rectangulaire Une droite de<br />

reflexion m<br />

Rectangle<br />

a, b, γ = 90°<br />

Carré<br />

Un axe d’ordre 4 Carré<br />

a = b, γ = 90°<br />

Hexagonal<br />

Un axe d’ordre 3 Un tiers<br />

d’hexagone<br />

a = b, γ = 120°<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 19


LES SEPT SYSTÈMES CRISTALLINS<br />

Système Symétrie minimale Maille élémentaire Directions <strong>des</strong> vecteurs<br />

Triclinique Un axe d’ordre 1 Parallélépipède :<br />

Quelconques<br />

a, b, c<br />

α, β, γ<br />

Monoclinique Un axe d’ordre 2 Prisme droit sur base<br />

parallélogramme :<br />

b parallèle à l’axe<br />

d’ordre 2<br />

a, b, c<br />

α = γ = 90°, β<br />

Orthorhombique Trois axes<br />

perpendiculaires<br />

d’ordre 2<br />

Prisme droit sur base<br />

rectangulaire :<br />

a, b, c<br />

α = β = γ = 90°<br />

a, b, c parallèles aux<br />

trois axes d’ordre 2<br />

Tétragonal<br />

(quadratique)<br />

Un axe d’ordre 4 Prisme droit sur base<br />

carré :<br />

c parallèle à l’axe d'ordre<br />

4<br />

a = b, c<br />

α = β = γ = 90°


Système Symétrie minimale Maille élémentaire Directions <strong>des</strong> vecteurs<br />

Trigonal<br />

(rhomboédrique)<br />

Un axe d’ordre 3 Rhomboèdre (prisme<br />

formé par six losanges<br />

identiques) :<br />

a, b, c également<br />

inclinés par rapport à<br />

l’axe d’ordre 3<br />

a = b = c<br />

α = β = γ<br />

Hexagonal Un axe d’ordre 6 Un tiers de prisme droit<br />

sur base hexagonale :<br />

c parallèle à l’axe<br />

d’ordre 6<br />

a = b, c<br />

γ = 120°<br />

Cubique Quatre axes d’ordre 3<br />

formant <strong>des</strong> angles de<br />

70,53°<br />

Cube :<br />

a = b = c<br />

α = β = γ = 90°<br />

a, b, c parallèles aux<br />

axes d’ordre 2 (ou 4) ;<br />

diagonales spatiales du<br />

cube parallèles aux axes<br />

d’ordre 3


Atomes partagés entre plusieurs mailles<br />

Position d’un<br />

atome sur le<br />

parallélépipède<br />

Nombre de<br />

mailles partageant<br />

le même atome<br />

Positions<br />

équivalentes sur<br />

le parallélépipède<br />

Nombre d’atome dans<br />

une maille<br />

Intérieur<br />

Face<br />

Arête<br />

Sommet<br />

1<br />

2<br />

4<br />

8<br />

1<br />

2 (6)<br />

4 (12)<br />

8<br />

1 × 1 = 1<br />

2 × ½ = 1 (6 × ½ = 3)<br />

4 × ¼ = 1 (12 × ¼ = 3)<br />

8 × 1/8 = 1<br />

Les nombres entre parenthèses sont relatifs au cas particulier d’une<br />

maille cubique.<br />

Formule générale :<br />

Système<br />

VOLUME DE LA MAILLE<br />

V = a × b · c<br />

Triclinique : V = abc (1 – cos²α – cos²β – cos²γ + 2cosα cosβ cosγ) 1/2<br />

Monoclinique :<br />

Orthorhombique :<br />

Tétragonal :<br />

V = abc sinβ<br />

V = abc<br />

V = a²c<br />

Trigonal : V = a 3 (1-3 cos²α + 2 cos 3 α) 1/2<br />

Hexagonal :<br />

Cubique : V = a 3<br />

V = (√3 / 2) a²c<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 20


LES 14 RESEAUX DE BRAVAIS<br />

Les 14 réseaux de Bravais représentent les 14 possibilités d’organiser<br />

un volume par une distribution tridimensionnelle de points quand on<br />

considère la symétrie.<br />

Les mo<strong>des</strong> de réseaux<br />

(1) Chaque nœud doit avoir le même environnement, autrement dit,<br />

tous les nœuds doivent être identiques.<br />

(2) La maille doit posséder la symétrie minimale du système<br />

cristallin correspondant.<br />

(3) Seule la maille la plus petite qui respecte les conditions<br />

précédentes sera retenue.<br />

Base centrée C Corps centré I Faces centrées F<br />

Mailles pour <strong>des</strong> réseaux base centrée, corps centré et faces centrées ;<br />

Projection suivant l’axe vertical.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 21


Mode de<br />

réseau<br />

Position<br />

<strong>des</strong> nœuds<br />

Système<br />

triclinique<br />

P (ou R) primitif I<br />

corps centré<br />

F<br />

faces centrées<br />

0 0 0 0 0 0 , ½ ½ ½ 0 0 0, 0 ½ ½<br />

½ 0 ½, ½ ½ 0<br />

C<br />

base centrée<br />

0 0 0, ½ ½ 0<br />

Système<br />

monoclinique<br />

Système<br />

orthorhombique<br />

Système<br />

tétragonal<br />

Système<br />

rhomboédrique<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 22


Mode de<br />

réseau<br />

Position<br />

<strong>des</strong> nœuds<br />

Système<br />

hexagonal<br />

P (ou R) primitif I<br />

corps centré<br />

F<br />

faces centrées<br />

0 0 0 0 0 0 , ½ ½ ½ 0 0 0, 0 ½ ½<br />

½ 0 ½, ½ ½ 0<br />

C<br />

base centrée<br />

0 0 0, ½ ½ 0<br />

Système<br />

cubique<br />

7 Systèmes Cristallins ⊕ 4 Mo<strong>des</strong> de réseaux<br />

⇒ 14 Réseaux de Bravais<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 23


<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 24


POSITIONS ENGENDREES PAR LES<br />

TRANSLATIONS DU MODE DE RESEAU<br />

P<br />

primitif<br />

x y z + (0 0 0)<br />

Une position dans la maille : x y z<br />

I<br />

corps centré<br />

x y z + (0 0 0, ½ ½ ½)<br />

Deux positions dans la maille : x y z, x + ½ y + ½ z + ½<br />

F<br />

faces centrées<br />

x y z + (0 0 0, 0 ½ ½, ½ 0 ½, ½ ½ 0)<br />

Quatre positions dans la maille : x y z, x y + ½ z + ½<br />

x + ½ y z + ½, x + ½ y + ½ z<br />

C<br />

base centrée<br />

x y z + (0 0 0, ½ ½ 0)<br />

Deux positions dans la maille : x y z, x + ½ y + ½ z<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 25


Polonium, α-Po<br />

cubique P<br />

a = 3.36 Å<br />

Po 0 0 0<br />

Fer, α-Fe<br />

cubique I<br />

a = 2.87 Å<br />

Fe 0 0 0, ½ ½ ½<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 26


Chlorure de sodium, NaCl<br />

cubique F<br />

a = 5.45 Å<br />

Cl 0 0 0, 0 ½ ½, ½ 0 ½, ½ ½ 0 (vert)<br />

Na ½ ½ ½, ½ 0 0, 0 ½ 0, 0 0 ½ (rouge)<br />

Uranium, α-U<br />

orthorhombique C<br />

a = 2.85, b = 5.87, c = 4.96 Å<br />

U 0 0.1025 ¼, ½ 0.6025 ¼, (bleu)<br />

0 0.8975 ¾, ½ 0.3975 ¾ (jaune)<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 27


LES GROUPES D’ESPACE<br />

Il existe 230 manières de combiner axes de rotation, plans de réflexion<br />

et réseaux de Bravais. Ce sont les 230 groupes d’espace, décrits dans<br />

le premier volume <strong>des</strong> Tables Internationales de <strong>Cristallographie</strong>.<br />

Chaque groupe d’espace est désigné par une suite caractéristique<br />

d’opérations de symétrie, le symbole de Hermann-Mauguin. L’ordre<br />

<strong>des</strong> caractères est bien défini pour chaque système cristallin.<br />

C m c 2 1<br />

- Système orthorhombique<br />

- Réseau de Bravais de type C<br />

- Plan de réflexion m perpendiculaire à a<br />

- Plan de réflexion avec glissement c perpendiculaire à b<br />

- Axe hélicoïdal 2 1 parammèle à c<br />

F m 3 m<br />

- Système cubique<br />

- Réseau de Bravais de type F<br />

- Plans de réflexion m perpendiculaires aux axes<br />

cristallographiques (a, b et c)<br />

- Axes de rotation-inversion d’ordre 3 parallèles aux diagonales<br />

spatiales<br />

- Plans de réflexion m perpendiculaires aux diagonales <strong>des</strong><br />

faces<br />

P 6 3 /m m c<br />

- Système hexagonal<br />

- Axe hélicoïdal 6 3 parallèle et plan de réflexion m<br />

perpendiculaire à c<br />

- Plans de réflexion m perpendiculaires à a et b<br />

- Plan de réflexion avec glissement c perpendiculaire à la<br />

diagonale longue de la face C<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 28


DESCRIPTION D’UNE STRUCTURE<br />

Pour décrire une structure cristalline, il faut préciser :<br />

(a)<br />

la symétrie<br />

La symétrie est définie en indiquant le symbole de Hermann-<br />

Mauguin du groupe d’espace qui contient aussi toutes les<br />

informations sur le système cristallin et le mode de réseau de<br />

Bravais.<br />

(b) les paramètres de maille (a, b, c, α, β, γ)<br />

Monoclinique : a, b, c, β ; orthorhombique : a, b, c ;<br />

rhomboédrique : a, α ; tétragonal, hexagonal : (a, b, c, α, β, γ) ;<br />

cubique : (a, b, c, α, β, γ)<br />

Les paramètres de maille sont, le plus souvent exprimés en<br />

Angtröm (1 Å = 10 -10 m). L’IUCr recommande de les exprimer<br />

en nm (10 -9 m).<br />

(c) les coordonnées atomiques non équivalentes par symétrie (x y z)<br />

Les positions <strong>des</strong> atomes sont données par les coordonnées x y z,<br />

exprimées en fraction <strong>des</strong> paramètres de la maille<br />

(0 ≤ x, y, z < 1).<br />

site atomique : ensemble <strong>des</strong> positions atomiques reliées par les<br />

opérations de symétrie.<br />

Il suffit de donner les coordonnées d’une seule position pour chaque<br />

site atomique, si le groupe d’espace est spécifié.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 29


Wurtzite, ZnS<br />

hexagonal, P6 3 mc<br />

2 sites atomiques<br />

a = 3.82, c = 6.26 Å<br />

Zn 1/3 2/3 0.000, 2/3 1/3 0.500 (gris)<br />

S 1/3 2/3 0.371, 2/3 1/3 0.871 (jaune)<br />

Perovskite, CaTiO 3<br />

cubique, Pm3m<br />

a = 3.80 Å<br />

3 sites atomiques<br />

Ti 0 0 0 (bleu)<br />

Ca ½ ½ ½ (vert)<br />

O ½ 0 0, 0 ½ 0, 0 0 ½ (rouge)<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 30


Supraconducteur à haute T c , La 2 CuO 4<br />

tétragonal, I4/mmm<br />

a = 3.78, c = 13.23 Å<br />

La 0 0 0.360, ½ ½ 0.860 (vert)<br />

0 0 0.640, ½ ½ 0.140<br />

Cu 0 0 0, ½ ½ ½ (rouge foncé)<br />

O(1) 0 0 0.818, ½ ½ 0.318 (rouge)<br />

0 0 0.192, ½ ½ 0.692<br />

O(2) ½ 0 0, 0 ½ ½ (rouge)<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 31


Nombre d’unités de formule par maille Z<br />

Z [entier] = nombre d’unités de formule chimique par maille<br />

élémentaire<br />

Exemple précédent : Z = 2<br />

Masse moléculaire M r<br />

M r [g mol -1 ] = Σ masses atomiques par unité formulaire<br />

Masse volumique D x<br />

D x [Mg m -3 ] = (Z · M r ) / (N · V) , où<br />

Z - nombre d’unités de formule par maille<br />

M r - masse moléculaire [ Mg.mol -1 ]<br />

N - nombre d’Avogadro [6.022x10 23 mol -1 ],<br />

V - volume de la maille [m 3 ]<br />

Remarque :<br />

le nombre ainsi obtenu pour D x donne aussi la masse volumique<br />

exprimée en g.cm -3 .<br />

Description complète d’une structure<br />

(1) la formule chimique du composé<br />

(2) le groupe d’espace (notation condensée pour le système<br />

cristallin, le mode du réseau de Bravais et les éléments de<br />

symétrie)<br />

(3) les paramètres de maille (a, b, c, α, β, γ), éventuellement aussi<br />

le volume de la maille (V)<br />

(4) le nombre d’unités de formule par maille (Z)<br />

(5) la masse volumique calculée (D x ), parfois comparée à la valeur<br />

mesurée (D m )<br />

(6) les coordonnées atomiques non équivalentes par symétrie<br />

( x y z)<br />

On ajoute également la température et la pression auxquelles les<br />

mesures pour déterminer la structure ont été faites.<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 32


Cuivre, Cu<br />

cubique, Fm3 m<br />

a = 3.61 Å<br />

Cu 0 0 0<br />

(≡ quatre atomes de Cu en 0 0 0, 0 ½ ½, ½ 0 ½, ½ ½ 0)<br />

V = 47.05 Å 3<br />

Z = 4<br />

M r = 63.55 g mol -1<br />

D x = 8.97 Mg m -3 (Dm = 8.94 Mg m -3 )<br />

Cu 3 Au<br />

cubique, Pm3 m<br />

a = 3.74 Å<br />

V = 52.31 Å 3<br />

Au 0 0 0 (bleu)<br />

Cu 0 ½ ½ (rouge)<br />

(≡ trois atomes de Cu en 0 ½ ½, ½ 0 ½, ½ ½ 0)<br />

Z = 1<br />

M r = 387.6 g mol -1<br />

D x = 12.30 Mg m -3<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 33


STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE DE<br />

Ca 4.78 Cu 6 O 11.60<br />

Université de Savoie – SYMME – 2000 – Journal of Solid State Chemistry<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 34


Ca 4.78 Cu 6 O 11.60<br />

Système cristallin :<br />

monoclinique<br />

Mode du réseau de Bravais : primitif<br />

Groupe d’espace : P2/c (n° 13)<br />

a = 10.9456(4) Å<br />

b = 6.3192(2) Å<br />

c = 16.8408(5) Å<br />

β = 104.952(2)°<br />

V = 1125.39(6) Å 3<br />

Z = 4 ; D x = 4.48(2) Mg m -3<br />

Atom WP Neutrons, 1.5944Å<br />

x y z B(Å2) occ.<br />

Cu1 2a 0 0 0 0.52(3)<br />

Cu2 4g -0.003(1) 0.0073(16) 0.1698(6) 0.52(3)<br />

Cu3 4g -0.005(1) 0.5155(15) 0.0770(6) 0.52(3)<br />

Cu4 2e 0 0.5178(22) 1/4 0.52(3)<br />

Cu5 2d 1/2 0 0 0.52(3)<br />

Cu6 4g 0.499(1) 0.0158(16) 0.1660(6) 0.52(3)<br />

Cu7 4g 0.497(1) 0.5047(21) 0.0807(8) 0.52(3)<br />

Cu8 2f 1/2 0.508(3) 1/4 0.52(3)<br />

Ca1 4g 0.2447(18) 0.745(3) 0.4515(10) 0.43(6)<br />

Ca2 4g 0.2467(18) 0.743(3) 0.0479(10) 0.43(6)<br />

Ca3 4g 0.2593(22) 0.745(4) 0.8565(11) 0.43(6) 0.78(3)<br />

Ca4 4g 0.2513(18) 0.748(3) 0.6555(9) 0.43(6)<br />

Ca5 4g 0.2593(16) 0.751(3) 0.2680(8) 0.43(6)<br />

O1 4g 0.3743(13) -0.077(2) 0.3906(9) 0.58(3)<br />

O2 4g 0.3768(16) 0.0664(25) 0.0689(9) 0.58(3)<br />

O3 4g 0.3864(16) -0.003(3) 0.2311(10) 0.58(3) 0.89(4)<br />

O4 4g 0.1261(14) -0.041(2) 0.1057(9) 0.58(3)<br />

O5 4g 0.1285(14) 0.0717(24) 0.4363(9) 0.58(3)<br />

O6 4g 0.1149(18) 0.0265(23) 0.2678(11) 0.58(3) 0.90(4)<br />

O7 4g 0.1214(15) 0.4442(24) 0.0231(9) 0.58(3)<br />

O8 4g 0.1244(16) 0.5413(25) 0.3472(10) 0.58(3)<br />

O9 4g 0.1242(15) 0.5280(21) 0.1880(9) 0.58(3) 0.93(4)<br />

O10 4g 0.3868(14) 0.4484(23) 0.4760(9) 0.58(3)<br />

O11 4g 0.3769(14) 0.5422(22) 0.1498(10) 0.58(3)<br />

O12 4g 0.3895(15) 0.4775(24) 0.3074(10) 0.58(3) 0.88(4)<br />

<strong>Structure</strong> <strong>des</strong> <strong>Matériaux</strong> 2011 – <strong>IUT</strong> <strong>Annecy</strong> – Mesures Physiques PG – <strong>Partie</strong> I 35

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!