Instrumentation for crystallography under constraints

The CRISP team develops a platform for cristallography under constraints (pressure, electric field, laser) in order to study the structural response of cristalline solids under perturbation. For that purpose, we have set up a fast hybrid pixel detector (XPAD) on a diffractometer equipped with a microfocus X-ray source and low temperature device (cryojet N2). The detector may be synchronized either to an external periodic electric field to perform measurements on piezoelectric crystalline samples, or to a pulsed laser source to carry out time-resolved photocrystallographic experiments.
XPAD
X-ray diffractometer, equipped with the XPAD detector, for crystallography under constraintes.

  • Etudes piezo-cristallographiques sous champ électrique commuté

L’approche expérimentale consiste à appliquer un champ électrique par l’intermédiaire d’électrodes déposées sur un échantillon monocristallin, et à réaliser des mesures de diffraction des rayons X en utilisant un mode de mesure de type pompe-sonde en commutant périodiquement le champ électrique +V/0/-V/0 (mode champ commuté). Cette approche tire avantage du temps de lecture extrêmement rapide du détecteur bidimensionnel rapide à pixels hybrides XPAD, ainsi que de ses fonctionnalités programmables (« gated detector »). La réponse structurale du cristal est ensuite détectée par un changement en position (Δθ) et en intensité (ΔI) des pics de Bragg qui permettent de déterminer le tenseur piezoélectric, ainsi que d’établir un modèle structural microscopique. De très faibles déplacement de pics et de très faibles variation en intensité (<1%) sont détectables.
piezo
(gauche) Echantillon cristallin sous champ électrique. (droite) Principe de la méthode de mesure sous champ électrique commuté.
P. Fertey et al. Diffraction studies under in situ electric field using a large-area hybrid pixel XPAD detector, J. Appl. Cryst., (2013), 46(4), 1151-1161.

  • Etudes photocristallographiques résolues en temps

Les mesures photocristallographiques résolues en temps sont réalisées en mode pompe-sonde en couplant une source d’excitation laser Nd-YAG pulsée équipé d’un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO, 400nm<λ<700nm) à une expérience de diffraction des rayons X monocristal. Le détecteur XPAD est synchronisé à la pompe tout en ajustant le délai Δt entre pompe et sonde, permettant de suivre les réorganisations structurales photoinduites avec une résolution de l’ordre de la milliseconde par l’intermédiaire des déplacements et des changements d’intensité des pics de Bragg. Le dispositif est également équipé d’une expérience de spectroscopie d’absorption transitoire, permettant de suivre la réponse optique du matériaux en parallèle de la réponse structurale.
photocristallo
(Gauche) Schéma de principe de l’expérience couplée spectroscopie d’absorption transitoire et photocristallographique résolue en temps. (Droite) montage expérimental.

  • Etudes des transitions de phase dépendantes de la température

Les chercheurs et techniciens du laboratoire ont conçu en collaboration avec l’Institut NEEL (CNRS, Université Joseph Fourier – Grenoble) un mini-goniomètre deux axes placé à l’intérieur d’un cryostat à bain d’hélium. Le montage a été réalisé en partie par l’atelier de mécanique du laboratoire. L’échantillon cristallin est monté sur ce mini goniomètre qui est asservi magnétiquement à l’axe phi du diffractomètre, permettant d’accéder à une très bonne couverture angulaire de la sphère de diffraction. Grâce à ce dispositif, des mesures de diffraction des rayons X sur monocristal peuvent être réalisées de la température ambiante jusqu’à 4K avec une excellent précision en température pour des applications allant de la résolution structurale aux analyses de transitions de phase et de densité électronique.
cryostat
(Gauche) Principe du mini goniomètre asservi magnétiquement. (Droite) Montage expérimental.
P. Fertey et al., A mini-goniometer for X-ray diffraction studies down to 4 K on four-circle diffractometers equipped with two-dimensional detectors, J. Appl. Cryst., (2007), 40, 526-541.