UPThèses

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.

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau qui est considéré comme un semi-conducteur à large bande interdite ou une céramique suivant ses applications en microélectronique ou comme matériau nucléaire. Dans ces deux domaines d'application les défauts générés par l'implantation/irradiation d'ions (dopage, matériau de structure) doivent être contrôlés. Ce travail est une étude des défauts générés par l'implantation de gaz rares suivant les conditions d'implantation (fluence et température). La déformation élastique a plus particulièrement été étudiée dans le cas d'implantation de xénon à des températures pour lesquelles la recombinaison dynamique empêche la transition amorphe. Un modèle phénoménologique basé sur le recouvrement des cascades a été proposé pour comprendre l'évolution de la déformation maximale avec la dose. Des observations complémentaires en particulier par microscopie électronique à transition nous ont permis de préciser la nature des défauts créés et d'étudier leur évolution sous recuit. La formation de cavités a été observée pour des conditions sévères d'implantation/recuit ; ces cavités sont de nature différente (vide ou pleine) suivant la répartition du xénon. Cette étude est également reliée aux propriétés de gonflement sous irradiation, gonflement qui doit être anticipé dans les domaines d'application du SiC.

Le procédé Smart CutTM, utilisé pour le transfert de films minces sur substrat est basé sur la fissuration du silicium. La propagation des fissures est initiée à partir de défauts bidimensionnels induits par implantation d'hydrogène, les « H-platelets ». Des études précédentes ont montré que la fissuration du Si peut également être obtenue à partir de défauts nommés « He-plates » qui ont la particularité d'avoir un diamètre dix fois supérieur. L'objectif de ce travail était d'étudier la formation de ces défauts et leur évolution sous flux d'hydrogène jusqu'à la propagation des fissures. Dans une première partie, la formation des « He-plates » a été étudiée pour différentes orientations de substrats et discutée par rapport à la contrainte compressive bi-axiale induite par l'implantation. Les résultats montrent que les mécanismes qui gouvernent la formation des « He-plates » sont les mêmes que pour les « H-platelets ». Dans une seconde partie, l'évolution des « He-plates » en présence d'H a été étudiée en utilisant une approche expérimentale originale qui couple implantations d'hydrogène et observations par microscopie électronique en transmission. Les expériences montrent que la croissance des « He-plates » est gouvernée par la diffusion de l'hydrogène qui dépend de la température et du taux d'endommagement. Enfin, leur croissance est décrite à l'aide d'un modèle cinétique et, leur coalescence a été analysée en relation avec un modèle élastique. La propagation rectiligne de fissures à partir de ces précurseurs offre des perspectives intéressantes pour une utilisation industrielle.

L'endommagement induit par implantation de xénon dans le silicium a été étudié par microscopie électronique à transmission (MET). Les implantations réalisées à 350°C, à une énergie de 250keV et pour des fluences supérieures à >1x1016 Xe ions/cm2 conduisent à la formation d'une couche amorphe enterrée. Les observations effectuées sur les échantillons recuits montrent la présence d'une rangée de grandes cavités allongées dans la direction perpendiculaire à l'interface. Ceci suggère que, lors de la recristallisation du silicium, le déplacement simultané des deux interfaces entraîne le déplacement du gaz jusqu'à son confinement dans de larges bulles. Afin de mieux appréhender les mécanismes qui conduisent au mouvement des bulles, de l'hélium à faible dose a été implanté dans du silicium préalablement amorphisé par implantation de Li à basse température. L'implantation d'hélium dans le silicium amorphe conduit à la formation de bulles de forme irrégulière. Ce résultat diffère du silicium cristallin où des bulles sphériques sont obtenues pour des conditions d'implantation identiques. Les expériences réalisées 'in situ' dans le MET montrent clairement d'une part que les bulles sont poussées par l'interface, et d'autre part la nucléation de micromacles. Il a été mis en évidence au cours de cette étude que les bulles sont mobiles à plus basse température dans le silicium amorphe que dans la phase cristalline. Lors de la recristallisation, les bulles se trouvent alors confinées dans le matériel amorphe, ce qui résulte en leur coalescence et à la formation de larges bulles une fois que les deux fronts de recristallisation se sont rejoints. De plus, il a été établi que la formation de micromacles dans la région recristallisée est liée à un excès de défauts de type interstitiels dans la zone amorphe. Ce résultat est contraire aux modèles de la littérature qui suggèrent que les micromacles se forment soit sur des plans {111} soit sur les bulles.