@AFC_cristal
Auteurs: A. Boulle, M. Souilah, V. Mergnac
Institut de Recherche sur les Céramiques
Limoges, France
courrier électronique
Téléchargement du logiciel RaDMaX
Introduction
RaDMaX (Radiation Damage in Materials Analyzed with X-ray diffraction) est un programme qui se veut aussi simple que possible, destiné la détermination des profils de déformation élastique et de désordre dans des monocristaux (ou couches épitaxiales) irradiés et ce, au moyen de la simulation de balayages Θ-2Θ obtenus par diffraction des rayons X.
Lorsque les matériaux sont exposés à un rayonnement énergétique, les collisions entre particules incidentes et les atomes desdits matériaux peuvent amener ces derniers à se déplacer hors de leur site cristallographique, créant ainsi un défaut dans le réseau (paire de Frenkel). Si l'évènement élémentaire ne dure que quelques fs et ne concerne que quelques Å3, une exposition prolongée au rayonnement conduit la plupart du temps à une agglomération de ces défauts qui peuvent, in fine, avoir des conséquences macroscopiques, telles que gonflement, fissuration, changements de phases, amorphisation, etc.
Dans le cas de l'irradiation ionique, les zones endommagées ne concernent en général qu'une mince région sous la surface du matériau, entre quelques nm et quelques µm. L'approche classique pour déterminer les profils de déformation / désordre dans cette zone consiste à utiliser les équations de Takagi et Taupin [1,2]; équations qui décrivent la diffraction dynamique dans des cristaux déformés. De plus, dans le cas de profils unidimensionnels et de cristaux latéralement infinis, ces équations se résument à une équation différentielle qui admet une solution récursive simple [3], reposant sur la division de la zone endommagée en couches discrètes présentant des propriétés constantes au sein d'une couche. Ce type d'équations, et certaines formes plus évoluées, sont aujourd'hui implémentées de façon routinière dans la plupart des programmes de simulations de DRX par des hétérostructures épitaxiales (couches minces, multi-couches périodiques ou non) fussent-il commerciaux ou en accès ouvert. Néanmoins, du fait de leur caractère polyvalent, ces programmes sont en général peu accessibles aux non-spécialistes et restent dans leur utilisation, de fait, réservés aux cristallographes.
C'est cette lacune que vise à combler RaDMaX. En ne restreignant la fonctionalité qu'à la seule détermination des profils de déformation/désordre il est possible de simplifier fortement l'interface, notamment en ne présentant à l'utilisateur que des graphiques manipulables à la souris (en lieu et place d'une longue série de couches).
Disponibilité
Initialement développé comme une application de bureau multi-plateformes (toujours disponible ici: https://aboulle.github.io/RaDMaX/), RaDMaX a été entièrement réécrit en 2019 pour en faire une application en ligne, renommé pour l'occasion RaDMaX-online : https://aboulle.github.io/RaDMaX-online/
Ceci a le principal avantage de le rendre encore plus accessible aux débutants. En effet, là où la version de bureau nécessitait l'installation d'une environnement Python scientifique complet, la version online ne necessite qu'un navigateur web pour fonctionner et tous les calculs sont effectués côté serveur. Dans les deux cas, le code source est disponible et les utilisateurs interessés peuvent exécuter la version online sur leurs propres PC en cas de besoin.
Utilisation
Une capture d'écran de RaDMaX-online, exécuté au sein du navigateur Firefox, est présentée sur la capture d'écran ci-dessous:
La partie principale de l'interface contient les profils de déformation et de désordre (partie gauche), et la courbe calculée correspondante superposée aux données expérimentales (partie droite). Les courbes de gauches sont manipulables à la souris afin d'ajuster "manuellement" la solution avant de procéder à un affinement (bouton "Fit").
Les différents onglets permettent à l'utilisateur de renseigner les paramètres relatifs à la mesure ("Experiment") et au materiau ("Material"). Si le matériau est une couche épitaxiale, les paramètres correspondants peuvent être renseignés dans l'onglet "Film parameters", et l'onglet "Fitting parameters" permet de modifier les paramètres de l'algorithme de moindres carrés, si nécessaire. Enfin, l'onglet affiché sur la figure correspond aux paramètres relatifs aux profils de déformation/désordre.
Il est possible pour l'utilisateur de téléverser ses propres données (bouton "Upload XRD data") et de télécharger les résultats de simulation (bouton "save"). À noter qu'aucune donnée n'est conservée sur le serveur. Toutes les données sont chargées en RAM et sont définitivement perdues lorsque l'application est fermée ou que d'autres données sont chargées.
RaDMaX-online est développé en Python et utilise les bibliothèques NumPy (https://numpy.org/) et SciPy (https://scipy.org/) pour les calculs. L'interface graphique est un notebook Jupyter (https://jupyter.org/) utilisant les bibliothèques de d'éléments graphiques ipywidgets (https://ipywidgets.readthedocs.io/en/stable/) et bqplot (https://bqplot.readthedocs.io/en/latest/). La bibliothèque voila (https://voila.readthedocs.io/en/stable/index.html) permet de créer l'application web à partir du notebook. Les lecteurs interessés trouveront de plus amples informations dans les publications correspondantes [4,5,6].
[1] Bartels, W. J., Hornstra, J. & Lobeek, D. J. W. (1986). Acta Crystallogr. A. 42, 539–545.
[2] Takagi, S. (1969). J. Phys. Soc. Jpn. 26, 1239–1253.
[3] Taupin, D. (1964). Bull Soc Fr. Minér Crist. 87, 469.
[4] Boulle, A. & Debelle, A. (2010). J Appl Cryst. 43, 1046.
[5] Souilah, M. Boulle, A. & Debelle, A. (2016). J. Appl. Cryst. 49, 311.
[6] Boulle, A., Mergnac, V. (2020). J Appl Cryst. 53, 587.