Identification de la
structure atomique de la surface d'un quasicristal : i-AlPdMn (5)
Etudes par Diffraction d'hélium et Microscopie à effet tunnel
Luc Barbier,
David Le Floc'h, Laurent Piccolo,
(DSM/DRECAM/SPCSI)
Yvonne Calvayrac (CNRS-CECM) et Denis Gratias (CNRS-ONERA)
Identification
of the atomic structure of the fivefold surface of an icosahedral Al-Pd-Mn
quasicrystal
L. Barbier, D. Le Floc'h, Y. Calvayrac and D.
Gratias
Phys.Rev.Lett 88 (2002) 085506.
La Structure des Quasicristaux
La Structure des Quasicristaux
L'état quasicristallin peut être trouvé dans des alliages (tel que Al-Pd-Mn) pour des gammes de concentration étroites. Les spectres de diffraction en volume (rayons X, neutrons) indiquent une structure avec des symétries d'orientation d'ordre 5 ou 10 interdites par la cristallographie usuelle, car incompatible avec toute symétrie de translation. Une symétrie d'ordre 5 est cependant permise, si le solide considéré est apériodique. Les données de diffraction ont permis de se faire une idée précise de la structure des quasicristaux. Elles sont à la base des modèles théoriques développés par D. Gratias (ONERA) et A. Katz (Ecole Polytechnique) dont on peut tirer des configurations atomiques locales. Les modèles montrent que les quasicristaux sont constitués de motifs élémentaires (agrégats intermétalliques de types Bergman et Mackay, connus pour leur stabilité) qui sont distribués de façon apériodique. Cependant jusqu'à aujourd'hui, aucune image réelle à l'échelle atomique n'avait pu être interprétée.
Concernant la surface des quasicristaux deux tendances sont en compétition : la surface peut préserver la structure en agrégats afin de minimiser l'énergie de volume (suggéré par des expériences de clivage) ou présenter des terrasses plates (minimisant l'aire).
L'alliage étudié Al70.4Pd21.4Mn8.2 présente une symétrie icosaédrique (6 axes d'ordre 5). Le mono-quasicristal, élaboré par Y. Calvayrac (CECM-CNRS, Vitry), présente des facettes de croissance pentagonales orientées selon un de ces axes. La diffraction d'hélium et la microscopie à effet tunnel (STM) sur ces facettes montrent une surface présentant de larges terrasses plates. Des images à la résolution atomique ont pu être obtenues. Comme le montre la transformée de Fourier de l'image, l'ordre quasicristallin est de haute qualité. Les configurations observées ont pu être interprétées à l'aide du modèle Katz-Gratias, récemment revu pour interpréter les expériences de diffusion de neutrons au LLB. Les motifs en forme de fleurs à 5 pétales qui apparaissent sur les images sont trop petits pour être identifiés de façon unique. En considérant un motif de 10x10 nm2, l'identification univoque avec les configurations du modèle a pu être obtenue, validant ainsi en retour le modèle.
En accord avec l'analyse par spectroscopie Auger, on montre que les terrasses correspondent à des plans denses pur Al qui coupent les
agrégats. Leur stabilité énergétique n'est donc pas l'élément essentiel de la stabilité de la surface.Cette première identification dans l'espace réel de la structure des quasicristaux ouvre la voie à l'étude des défauts de la structure, indispensable pour comprendre, ce qui reste encore une énigme aujourd'hui : la croissance des quasicristaux.
