Pyrocarbon optical properties in reflected light

International audienceA new accurate method is presented for measuring the extinction angle of pyrocarbons and their related anisotropy. The method permits also the extraction of the main optical parameters. Firstly, it established that the wavelength of the measurement must be controlled. Secondly, the origin of the optical phase shift when a polarized beam is reflected by such an absorbing media is derived. Then, the physical meaning of the extinction angle is discussed on the basis of calculations in an ideal case. The optical phase shift, as well as the ordinary and extraordinary reflectance were obtained by fitting the experimental data to the theoretical model. The reflectance coefficients obtained are very close to those measured by a more common method. Finally, the extinction angle Ae and phase shift are proposed to distinguish the various families of pyrocarbons

La croissance des pyrocarbones

Cet article fait la synthèse des recherches récentes dans le domaine des pyrocarbones. Ce sont les formes solides de carbone qui se déposent sur une surface chaude par craquage d'hydrocarbures liquides ou gazeux au-delà de 900 °C. Les applications touchent les matériaux composites, les biomatériaux ou les applications nucléaires. Très récemment, une étape importante a été franchie dans la connaissance de ces carbones grâce à une démarche pluridisciplinaire. Il en résulte une classification basée sur les mesures des défauts de réseau et d'anisotropie par spectroscopie Raman. Elle permet de relier de façon satisfaisante les mécanismes de croissance, les structures et les propriétés des pyrocarbones de basse température

Quantitative structural and textural assessment of laminar pyrocarbons through Raman spectroscopy, electron diffraction and few other techniques

In pyrocarbon materials, the width of the Raman D band (FWHMD) is very sensitive to low energy structural defects (e.g., disorientations of the graphene layers). The correlation between the two parameters, FWHMD and OA (as derived from selected area electron diffraction: SAED), has allowed to differentiate various pyrocarbons unambiguously. Furthermore, the optical properties of pyrocarbons, i.e., the extinction angle, the optical phase shift and the ordinary and extraordinary reflectance, have been accurately determined at 550 nm by means of the extinction curves method. These results are completed by in-plane and out-of-plane dielectric constant measurements by angular resolved EELS. Moreover, the hybridization degree of the carbon atoms has been assessed by the same technique. About 80% of the carbon atoms of the pyrocarbons have a sp2 hybridization. The lack of pure sp2 carbon atoms, as compared to graphite, might be explained by the presence of sp3-like line defects.Comment: Xavier Bourrat : Present Address = ISTO - CNRS-Universit\'e d'Orl\'ean

Matrice de pyrocarbone : propriétés, structure et anisotropie optique

A new classification of pyrocarbons is developed, which makes it possible to account for the differences in properties characterizing these materials, based on textural and structural considerations. To obtain this new classification diagram, the classic characterization techniques of texture anisotropy (DEAS, Extinction Angle) are improved and a new way of quantifying it is proposed: the Raman anisotropy factor RA. But, on its own, texture anisotropy proves to be insufficient to differentiate pyrocarbons. Raman spectroscopy, and in particular band enlargement (FWHMD), was then necessary to describe the structural defects of the pyrocarbon network. A 'structure/texture' diagram; (FWHMD=f(OA, Ae or RA)) is constructed and all known pyrocarbons are distributed within it. Remarkably, regenerated Laminar pyrocarbon is for the first time clearly differentiated from rough kelp by objective criteria. In addition, the classification is consistent with the chemical mechanisms of pyrocarbon formation, and shows the transitions between the different modes of deposition (homogeneous or heterogeneous growth). Finally, the two dimensions of the diagram make it possible to successfully explain the differences in properties (optical, electronic, vibrational, elastic and thermal) observed between pyrocarbons. Spectrophotometry in the visible, Raman resonance phenomena applied to pyrocarbons, angularly resolved EELS, plasmon energies, nano-indentations are all techniques used to explain the behavior of materials.Une nouvelle classification des pyrocarbones est développée, qui permet de rendre compte des différences de propriétés caractérisant ces matériaux, sur la base de considérations texturales et structurales. Pour obtenir ce nouveau diagramme de classification, les techniques de caractérisation classiques de l'anisotropie de texture (DEAS, Angle d'extinction) sont améliorées et une nouvelle manière de la quantifier est proposée : le facteur d'anisotropie Raman RA. Mais, à elle seule, l'anisotropie de texture s'avère être insuffisante pour différencier les pyrocarbones. La spectroscopie Raman, et en particulier l'élargissement des bandes (FWHMD), s'est alors imposée pour décrire les défauts structuraux du réseau des pyrocarbones. Un diagramme 'structure/texture'; (FWHMD=f(OA, Ae ou RA)) est construit et l'ensemble des pyrocarbones connus se répartissent en son sein. Fait remarquable, le pyrocarbone Laminaire régénéré est pour la première fois clairement différencié du Laminaire rugueux par des critères objectifs. De plus, la classification est cohérente vis-à-vis des mécanismes chimiques de formation des pyrocarbones, et fait apparaître les transitions entre les différents modes de dépôts (croissance homogène ou hétérogène). Enfin, les deux dimensions du diagramme permettent d'expliquer avec succès les différences de propriétés (optiques, électroniques, vibrationnelles, élastiques et thermiques) observées entre les pyrocarbones. Spectrophotométrie dans le visible, phénomènes de résonance en Raman appliqués aux pyrocarbones, EELS résolus angulairement, énergies plasmons, nano-indentations sont autant de techniques utilisées pour expliciter le comportement des matériaux

Matrice de pyrocarbone : propriétés, structure et anisotropie optique

A new classification of pyrocarbons is developed, which makes it possible to account for the differences in properties characterizing these materials, based on textural and structural considerations. To obtain this new classification diagram, the classic characterization techniques of texture anisotropy (DEAS, Extinction Angle) are improved and a new way of quantifying it is proposed: the Raman anisotropy factor RA. But, on its own, texture anisotropy proves to be insufficient to differentiate pyrocarbons. Raman spectroscopy, and in particular band enlargement (FWHMD), was then necessary to describe the structural defects of the pyrocarbon network. A 'structure/texture' diagram; (FWHMD=f(OA, Ae or RA)) is constructed and all known pyrocarbons are distributed within it. Remarkably, regenerated Laminar pyrocarbon is for the first time clearly differentiated from rough kelp by objective criteria. In addition, the classification is consistent with the chemical mechanisms of pyrocarbon formation, and shows the transitions between the different modes of deposition (homogeneous or heterogeneous growth). Finally, the two dimensions of the diagram make it possible to successfully explain the differences in properties (optical, electronic, vibrational, elastic and thermal) observed between pyrocarbons. Spectrophotometry in the visible, Raman resonance phenomena applied to pyrocarbons, angularly resolved EELS, plasmon energies, nano-indentations are all techniques used to explain the behavior of materials.Une nouvelle classification des pyrocarbones est développée, qui permet de rendre compte des différences de propriétés caractérisant ces matériaux, sur la base de considérations texturales et structurales. Pour obtenir ce nouveau diagramme de classification, les techniques de caractérisation classiques de l'anisotropie de texture (DEAS, Angle d'extinction) sont améliorées et une nouvelle manière de la quantifier est proposée : le facteur d'anisotropie Raman RA. Mais, à elle seule, l'anisotropie de texture s'avère être insuffisante pour différencier les pyrocarbones. La spectroscopie Raman, et en particulier l'élargissement des bandes (FWHMD), s'est alors imposée pour décrire les défauts structuraux du réseau des pyrocarbones. Un diagramme 'structure/texture'; (FWHMD=f(OA, Ae ou RA)) est construit et l'ensemble des pyrocarbones connus se répartissent en son sein. Fait remarquable, le pyrocarbone Laminaire régénéré est pour la première fois clairement différencié du Laminaire rugueux par des critères objectifs. De plus, la classification est cohérente vis-à-vis des mécanismes chimiques de formation des pyrocarbones, et fait apparaître les transitions entre les différents modes de dépôts (croissance homogène ou hétérogène). Enfin, les deux dimensions du diagramme permettent d'expliquer avec succès les différences de propriétés (optiques, électroniques, vibrationnelles, élastiques et thermiques) observées entre les pyrocarbones. Spectrophotométrie dans le visible, phénomènes de résonance en Raman appliqués aux pyrocarbones, EELS résolus angulairement, énergies plasmons, nano-indentations sont autant de techniques utilisées pour expliciter le comportement des matériaux

Matrice de pyrocarbone (propriétés, structure et anisotropie optique)

Une nouvelle classification des pyrocarbones est développée, qui permet de rendre compte des différences de propriétés caractérisant ces matériaux, sur la base de considérations texturales et structurales. Pour obtenir ce nouveau diagramme de classification, les techniques de caractérisation classiques de l'anisotropie de texture (DEAS, Angle d'extinction) sont améliorées et une nouvelle manière de la quantifier est proposée: le facteur d'anisotropie Raman RA. Mais, à elle seule, l'anisotropie de texture s'ave re être insuffisante pour différencier les pyrocarbones. La spectroscopie Raman, et en particulier l'élargissement des bandes (FWHMD), s'est alors imposée pour décrire les défauts structuraux du réseau des pyrocarbones. Un diagramme 'structure/texture'; (FWHMD=f(OA, Ae ou RA)) est construit et l'ensemble des pyrocarbones connus se répartissent en son sein. Fait remarquable, le pyrocarbone Laminaire régénéré est pour la première fois clairement différencié du Laminaire rugueux par des critères objectifs. De plus, la classification est cohérente vis-à-vis des mécanismes chimiques de formation des pyrocarbones, et fait apparaître les transitions entre les différents modes de dépôts (croissance homogène ou hétérogène). Enfin, les deux dimensions du diagramme permettent d'expliquer avec succès les différences de propriétés (optiques, électroniques, vibrationnelles, élastiques et thermiques) observées entre les pyrocarbones. Spectrophotométrie dans le visible, phénomènes de résonance en Raman appliqués aux pyrocarbones, EELS résolus angulairement, énergies plasmons, nano-indentations sont autant de techniques utilisées pour expliciter le comportement des matériaux.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF