UPThèses

Pour des intérêts technologiques, la compréhension des mécanismes de déformation des nano-structures est essentielle afin d'éviter que la relaxation des contraintes ne génère des défauts aux conséquences parfois catastrophiques. De plus, dans les nano-objets semi-conducteurs, les expériences montrent une transition fragile-ductile qui dépend de la taille des systèmes : ils sont ductiles pour des dimensions inférieures à quelques centaines de nanomètres, fragiles au-delà. Nous avons abordé ce problème via des calculs de dynamique moléculaire pour simuler des tests de déformation de nano-fils, et nous avons choisi le silicium comme prototype de matériau semi-conducteur. Nous avons dans un premier temps analysé des grandeurs mesurables comme les coefficients d'élasticité et la limite d'élasticité en fonction de différents paramètres, et montré notamment que la limite d'élasticité diminue quand la hauteur du nano-fil augmente. L'analyse à l'échelle atomique des systèmes déformés nous a permis de décomposer le comportement global des nano-fils en mécanismes élémentaires ; nous avons ainsi montré que la nucléation d'une première dislocation est à l'origine de l'ensemble des comportements, ductiles et fragiles. Après cette nucléation initiale, le comportement global du nano-fil est déterminé par la compétition entre la nucléation d'autres dislocations et l'ouverture de cavités. Finalement, nous avons essayé d'estimer quantitativement les degrés de ductilité et de fragilité des nano-fils en analysant l'énergie relaxée pendant le régime plastique par ces deux mécanismes élémentaires, et de rationaliser ainsi le rôle de la taille du système sur la transition fragile-ductile.

Ce mémoire est consacré au développement et à l'application d'une méthode permettant de caractériser finement les propriétés physiques (densité d'hélium, pression, diamètre, morphologie) de bulles d'hélium de taille nanométrique pour in fine améliorer la compréhension du comportement de ces nano-systèmes. L'approche que nous avons choisie est basée sur la spectroscopie de pertes d'énergie des électrons et l'acquisition de spectres images en microscopie électronique en transmission filtrée en énergie. Les différentes étapes d'acquisition, de correction des aberrations, et de traitement des spectres sont détaillées. L'erreur sur la mesure est estimée, et des améliorations potentielles de la méthode sont discutées. Nous montrons de plus que cette approche permet non seulement de dépasser les limites imposées par la microscopie électronique en transmission à balayage habituellement utilisée, mais aussi d'aller au-delà, en terme de statistique notamment. Nous appliquons ensuite notre méthode pour déterminer les propriétés physiques de bulles d'hélium dans le silicium, lors de recuits thermiques in situ dans le microscope. L'évolution des caractéristiques morphologiques des bulles est mise en rapport avec la variation de la densité d'hélium qu'elles contiennent suite à ces recuits. Les valeurs de densité et de pression obtenues sont comparées aux valeurs disponibles dans la littérature par des méthodes expérimentales ou numériques. Enfin, le transfert de notre méthode pour l'étude de bulles dans d'autres matrices (germanium, carbure de silicium, euxénite) est discuté.

Les phases MAX sont des carbures ou nitrures ternaires dont les propriétés sont généralement décrites comme la combinaison exceptionnelle des meilleures propriétés des métaux et des céramiques. Sous forme de couches minces, ces matériaux sont prometteurs en tant que contact ohmique sur des substrats de SiC pour la microélectronique de puissance. Des approches originales dédiées à l'obtention de films minces épitaxiés des phases MAX Ti2AlN, Ti3SiC2 et Ti3(Si,Ge)C2 sont développées dans ce travail. Des recuits à 750°C de systèmes multicouches (Ti+Al)/AlN permettent ainsi de former des couches de Ti2AlN fortement texturées sur des substrats de SiC ou Al2O3. La seconde approche consiste à recuire à 1000°C des couches de TixAly ou TixGey, déposés sur 4H-SiC, pour obtenir des films minces épitaxiés de Ti3SiC2 et Ti3(Si,Ge)C2. Ces derniers présentent les caractéristiques d'un contact ohmique sur SiC.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement plastique du carbure de silicium dans le domaine fragile. A cette fin, des essais de déformation par micro et nanoindentation ont été réalisés sur des échantillons monocristallins de SiC (4H et 3C). Des couches homoépitaxiées de 4H-SiC de différents dopages électroniques ont été étudiées. Ces couches présentent des caractéristiques mécaniques différentes en fonction du dopage : le dopage de type p durcit le matériau par rapport au dopage de type n ou au matériau intrinsèque. De plus, l'analyse des courbes charge-enfoncement obtenue en nanoindentation montre que la nucléation des dislocations est plus difficile lorsque le matériau est dopé de type p par rapport au matériau dopé n ou intrinsèque. Ceci est confirmé par les microstructures de déformation observées en Microscopie Electronique en Transmission (MET). Les observations par MET montrent que les dislocations introduites à l'ambiante autour des empreintes sont parfaites et glissent dans les plans {0001} dans le 4H-SiC et dans les plans {111} dans le 3C-SiC. Elles sont orientées principalement le long de la direction vis. Les sites de nanoindentation à température ambiante des couches 4H homoepitaxiées ont été particulièrement étudiés. On met en évidence que les sites de nucléation des dislocations sont vraisemblablement situés dans les plans {1 100}, les dislocations se développant par la suite dans le plan basal. La nature des cœurs des dislocations parfaites a été déterminée par la technique LACBED. Ces dislocations parfaites ont un cœur silicium en mode shuffle. Un changement de mécanisme de plasticité est observé par MET pour les échantillons indentés 800

Un système de spectroscopie de réflectance différentielle de surface est adapté sur un bâti de déposition par pulvérisation magnétron afin de suivre in situ et en temps réel les propriétés optiques de films nanocomposites métal:diélectrique. Cette technique permet notamment d'étudier les toutes premières étapes de formation de nanoparticules de métaux nobles dont la réponse optique est dominée par la résonance de plasmon de surface. Cette résonance est sensible à l'environnement des nanoparticules ainsi qu'à leur morphologie et à leur organisation. Pour établir la corrélation entre les propriétés optiques et les nanostructures, des analyses post mortem sont effectuées par microscopie électronique en transmission, en mode balayage, avec un détecteur annulaire champ sombre à grand angle (HAADF-STEM) et par diffusion rayons X aux petits angles obtenue par illumination en incidence rasante (GISAXS). Le suivi in situ de la résonance de plasmon de surface permet d'interpréter les mécanismes de croissance mais aussi les effets de différents traitements classiques - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2), recuit thermique - ou plus originaux en utilisant certaines possibilités de la machine de dépôt - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2) partiellement ionisés ou à un plasma d'Ar à basse énergie. Enfin les effets d'un recouvrement par une matrice protectrice de Si3N4 sont également étudiés. La spectroscopie optique in situ est donc une technique qui permet de contrôler toutes les étapes de fabrication de films nanocomposites. Couplée avec des analyses post mortem, elle permet en outre de comprendre les phénomènes mis en jeu à l'échelle nanométrique...

L’amélioration de la figure de mérite ZT des matériaux thermoélectriques (TE) est actuellement entreprise via des procédés de métallurgie, tels que la nanostructuration et l’introduction contrôlée de dislocations. De tels niveaux de complexité de microstructure soulèvent la problématique du comportement mécanique associé. En effet, malgré les valeurs de dureté et module d’élasticité connues pour la plupart des matériaux TE, rares sont les données sur les mécanismes de déformation. Portant sur le Half-Heusler Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2 de type p, notre étude multi-échelle propose de caractériser les mécanismes de déformation de cet alliage. Les expérimentations menées aux échelles macroscopique, mésoscopique, et microscopique sont pensées pour déclencher puis examiner les mécanismes de plasticité. Les tests en compression sur échantillons massifs dans un environnement de pression de confinement et température ont aboutis à une rupture exclusivement fragile. Les mécanismes de rupture sont identifiés comme associés une propagation de fissure intra- et inter granulaire, dépendant de la taille de grain rencontrée par le front de fissure. La méthode « indentation toughness » à l’échelle mésoscopique permet l’insertion de fissures, où les analyses MET en front de fissure confirment une abscence d’activité de dislocations, également confirmé par 3D-EBSD. À l’échelle microscopique, les données de compression de micro-pilliers ainsi que les observations de faciès de fracture sont comparable avec les échantillons massifs. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour produire des matériaux TE plus résistants à la fissuration.

Les travaux exposés dans cet ouvrage portent sur l'élaboration, la caractérisation microstructurale et les propriétés mécaniques de solutions solides nanolamellaires de phases dites MAX. Les phases MAX représentent une classe exceptionnellement étendue de céramiques. Elles répondent à une formule générale du type Mn+1AXn (n=1, 2 ou 3) où M est un métal de transition, A est un métal des groupes IIIA ou IVA, et X est un métalloïde (C ou N). Nous avons dans un premier temps réalisé l'optimisation de la synthèse, par métallurgie des poudres, de Ti3AlC2 pur. Une nouvelle phase, Ti3SnC2, ayant été découverte au laboratoire en 2007, les travaux se sont alors focalisés sur la synthèse de solutions solides du type Ti3AlxSn(1-x)C2 par pressage isostatique à chaud. Nous nous sommes, par la suite, attachés à la caractérisation microstructurale de ces solutions solides en étudiant notamment les variations du paramètre de maille, du taux de distorsion des octaèdres [Ti6C] et des prismes trigonaux [Ti6AlxSn(1-x)]. Enfin, nous avons déterminé la dureté intrinsèque et le module d'élasticité des différentes solutions solides en fonction du taux de substitution en utilisant la nanoindentation. Par ailleurs, des essais de compression, uniaxiale et sous confinement de gaz, ont été réalisés à température ambiante, afin d'étudier et de comparer les mécanismes de déformation de Ti3AlC2 et de la solution solide Ti3Al0.8Sn0.2C2. Les relations entre modifications microstructurales et propriétés mécaniques sont discutées. Nous montrons notamment que Ti3AlC2 et Ti3Al0.8Sn0.2C2 peuvent être considérés comme des matériaux "Kinking Non-linear Elastic".

Depuis quelques dizaines d'années, l'élaboration de matériaux nanostructurés tend de plus en plus à se développer. En effet, ces matériaux présentent souvent des propriétés intéressantes et en particulier des propriétés mécaniques surprenantes vis-à-vis de leurs homologues sous forme massive. Les métaux nano-maclés ou nano-lamellaires par exemple, sont connus pour avoir une bonne résistance mécanique, une bonne stabilité thermique et une excellente résistance aux radiations. Au fur et à mesure que l'espacement entre les interfaces diminue, leur densité augmente de manière significative et les propriétés macroscopiques du matériau sont de plus en plus dépendantes des interactions défaut-interface. Dans ce contexte, nous avons étudié, via des simulations atomistiques, la formation de macles de déformation et les mécanismes d'interaction d'une macle nouvellement formée avec une interface préexistante (un joint de macle ou une interface entre 2 métaux), pour une configuration modèle de film mince auto-supporté. Des premiers résultats montrent l'influence de marches de surface sur le maclage, pour un cas modèle sans interface. Puis nous avons identifié un mécanisme inédit aboutissant à la formation d'une dislocation de Lomer suite à l’interaction d'une macle en formation avec un joint de macle préexistant. En faisant varier la densité de défauts de surface, nous montrons l'influence particulière d'un joint de macle sur la taille et le nombre de macles formées. Enfin, pour les systèmes bimétalliques Cu/Ag, nos résultats mettent en évidence le rôle des dislocations d'épitaxie (à l'interface) dans la nucléation et l'extension des macles ainsi qu'une influence directe du type d'interface considéré sur la propagation de ces macles.

Les effets de chimie de surface, de désordre et d'empilement jouent des rôles majeurs sur les propriétés des MXènes. L'étude de ces effets sur la structure électronique représente donc un enjeu fondamental pour ces matériaux. La microscopie électronique en transmission permet de sonder celle-ci à des échelles allant du micromètre au nanomètre, notamment grâce à la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). Cette étude se focalise majoritairement sur le MXène Ti₃C₂Tₓ avec T les groupements fonctionnels. Un premier objectif fut l'étude des informations accessibles sur la chimie de surface par spectroscopie EELS. En couplant cette méthode expérimentale à des simulations par théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), il est montré que dans les pertes de cœur, le seuil K du carbone est un marqueur permettant de découpler les modifications en surfaces des feuillets et les perturbations dans le volume. La caractérisation d'empilements de feuillets fut alors abordée, avec l'idée d'apporter, notamment lorsqu'elles sont faibles, une mesure quantitative de leurs épaisseurs, i.e. du nombre de feuillets. Ce second objectif a nécessité l'utilisation combinée des techniques expérimentales de diffraction d'électrons en faisceau convergent, d'imagerie STEM-HAADF et de spectroscopie EELS dans le domaine des pertes faibles, ainsi que de méthodes de simulation de structure électronique par DFT, et de clichés de diffraction par la théorie de Bethe des ondes de Bloch. En outre, la sensibilité du plasmon de volume à l'espacement moyen entre feuillets a été mise en évidence. Ces résultats ont été utilisés pour établir le rôle d'une impureté sur la structure électronique des feuillets et caractériser le MXène lorsqu'utilisé comme support de phase active pour la catalyse de la réaction d'évolution de l’oxygène.

L’objectif de cette étude est de comprendre le comportement sous irradiation de la phase MAX Cr2AlC, dont les propriétés mécaniques et la résistance à l’oxydation permettent d’envisager des applications dans les réacteurs nucléaires. Pour cela, des films minces polycristallins et des monocristaux de Cr2AlC ont été implantés avec des ions He+. L’influence de la dose et de la température d’implantation sur l’état microstructural de Cr2AlC, mais aussi l’effet des recuits post-implantation, ont été caractérisés par DRX, MET et mesures de résistivité. Ces expériences ont permis de comprendre la formation progressive de la phase désordonnée γ-Cr2AlC et les mécanismes de déformation associés. Pour les implantations à température ambiante (RT), on observe une formation rapide d’antisites Cr/Al ne générant pas de déformation mais modifiant fortement la résistivité. L’interprétation des mesures de DRX permet de montrer que la déformation provient de la création de paires de Frenkel de C. Nous avons également déterminé une concentration seuil d’hélium implanté pour la formation de bulles. Pour les plus fortes fluences, des nano fissures se forment dans la région implantée ainsi que des cloques en surface, relaxant les contraintes emmagasinées. L’absence d’amorphisation des monocristaux même pour un endommagement important (30 dpa) suggère un effet significatif des joints de grains sur cette transformation. Lorsque la température d’implantation augmente, la saturation en défauts conduisant à la formation de la phase désordonnée intervient pour des fluences plus élevées. De plus, nos résultats suggèrent que la transition de phase est favorisée par la présence d'hélium. Les recuits de monocristaux implantés à RT nous ont permis de suivre la relaxation de la déformation. Différents mécanismes sont proposés pour expliquer cette relaxation allant de la recombinaison des défauts ponctuels à faible température jusqu’à la dissociation des complexes Hen-Vm à plus haute température.