Les spectroscopie Raman et infra-rouge sondent les vibrations au sein des cristaux, liquides et verres. Un spectre Raman ou infra rouge est constitué de pics (ou raies) qui donnent les fréquences de ces vibrations. Le nombre de vibrations, donc de pics, est déterminé par la symétrie du matériau. Les modifications des spectres au cours d'une transition de phase induites par la pression et par la température sont interprétables en termes de changements dans l'agencement des atomes (changements de coordinence) et de mouvements des atomes (mécanismes de changements de phase). Il est donc possible, toujours en couplant des cellules à enclumes de diamant et des platines chauffantes à un spectromètre Raman ou infra-rouge d'étudier in-situ à haute pression et température la dynamique des transitions de phase dans les matériaux. Dans ce qui suit, nous présentons les principes de la spectroscopie Raman à haute pression.
La spectroscopie Raman à haute pression
L’effet Raman peut être schématisé de la manière suivante (Figure 24). Un cristal est éclairé par un faisceau de lumière monochromatique. Une partie de cette lumière incidente est diffusée par l’échantillon. Si on analyse cette dernière par un système de réseau et de détecteur de type CCD on observe que la lumière incidente après interaction avec le cristal a perdu ou gagné de l’énergie.
Ceci se traduit par un spectre présentant des pics (Raies Stockes et anti-Stockes). Ces gains ou pertes d’énergie résultent de l’interaction de la lumière incidente avec les vibrations des atomes dans le matériau. Ils sont caractéristiques du matériau et en sont en quelque sorte une fiche d’identité.
Dans les montages modernes on utilise souvent des spectromètres Raman équipés de microscopes optiques qui permettent à la fois de focaliser un faisceau laser incident sur l’échantillon et à collecter la le rayonnement Raman (Figure 25). Les diamants étant transparents à la lumière visible on peut utiliser la cellule à enclumes de diamant pour réaliser des mesures de spectroscopie Raman à haute pression et haute température (Figure 25).
La figure ci-dessous (Figure 26) donne l’exemple de la transition de phase que subit à haute pression la stishovite, une forme cristalline de la silice SiO2. Cette transition s’observe en comprimant en cellule à enclumes de diamant à température ambiante et au-delà de 40 GPa des cristaux de stishovite. Lors de cette transformation, la stishovite, de structure rutile, adopte la structure du chlorure de calcium. Les spectres Raman enregistrés pendant toute la compression changent en réponse aux changements de l’agencement des atomes. On observe en particulier, l’apparition de nouveaux pics au-delà de 40 GPa.