Interest of Raman spectroscopy for the study of dental material: The zirconia material example

The mechanical properties, the biocompatibility and the aesthetic aspect make of zirconia a material of interest for orthopaedics and dental prosthetics. This ceramic presents a transformation of phase ability, which is responsible for its high mechanical resistance and fracture toughness. In biomedical applications, tetragonal metastable zirconia is used. Under mechanical stresses, zirconia grains experience a transformation towards a monoclinic structure. This phenomenon exists also under hydrothermal stresses and is known as low temperature degradation, it is well described for yttria partially stabilised zirconia, 3Y-TZP. Kinetics of transformation is usually studied using X-ray diffraction or AFM. The aim of this article is to present Raman spectroscopy as an alternative and non-destructive method to study the transformation of zirconia. After a presentation of Raman scattering, examples of tetragonal, cubic and monoclinic zirconia Raman spectra are presented. The calibration procedure to assess the penetration of the laser probe in the material is detailed and found to reach 70 μm. The quantitative measurement of monoclinic zirconia volume is explained. An example illustrates the decrease of the transformation from 12 at the material subsurface to 2% in a 70 μm depth. La zircone est devenue un biomatériau d’intérêt dans les domaines de l’orthopédie et de la prothèse dentaire grâce à ses propriétés mécaniques, optiques et sa bio-compatibilité. La résistance mécanique élevée et la ténacité importante de cette céramique sont liées à un changement de phase en fonction de la température et des contraintes, assimilables à une transformation martensitique. Dans les applications biomédicales, on utilise une zircone partiellement stabilisée, de structure métastable à température ambiante. Sous contrainte mécanique, les grains de zircone subissent la transformation tétragonale→monoclinique. Cette transformation se produit également avec vieillissement hydrique. Ce phénomène est bien décrit pour la zircone partiellement stabilisée à l’oxyde d’yttrium, 3Y-TZP. La transformation est habituellement étudiée par diffraction X et AFM. L’objectif de cet article est de présenter une technique alternative et non destructive, la spectroscopie Raman. Après une présentation succincte de la technique, les spectres Raman de la zircone tétragonale, monoclinique et cubique sont présentés. Enfin, un protocole de calibration de la profondeur de pénétration de la sonde laser dans la zircone est détaillé ; il est possible d’atteindre une profondeur de 70 μm. Sur un exemple, on mesure le volume de zircone transformée à 12 % en surface (profondeur de 1 μm) et sa diminution jusqu’à 2 % à 70 μm de profondeur.