UPThèses

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.

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.

L'étude des nano-objets en matériau semi-conducteur a révélé des propriétés mécaniques exceptionnelles, différentes de celles observées dans le massif. Outre l'intérêt technologique majeur qu'ils représentent à travers la miniaturisation toujours plus poussée des systèmes électroniques, leurs caractéristiques intrinsèques en font des objets particulièrement bien adaptés pour des études fondamentales. Dans ce contexte, nous avons étudié le déclenchement de la plasticité dans les nano-fils de silicium, les premiers stades de la plasticité étant en effet déterminants pour l'évolution ultérieure du système. Le silicium est ici considéré comme un semi-conducteur modèle. Pour cette étude, nous avons utilisé des simulations atomistiques qui sont parfaitement appropriées à l'analyse détaillée de la structure atomique des nano-objets. Après avoir contextualisé notre étude tant du point de vue de l'expérience que de celui des simulations, nous présentons les techniques numériques que nous avons utilisées. Nous décrivons ensuite l'étude de la déformation de nano-fils monocristallins, révélant notamment le rôle majeur des surfaces et l'activation d'un système de glissement jamais observé dans le silicium massif. Ce système de glissement est analysé en détail, et son activation est expliquée notamment au moyen de calculs ab initio. Enfin, nous avons considéré la déformation de nano-fils coeur-coquille cristal-amorphe et mis en évidence un comportement différent de celui observé pour les nano-fils monocristallins. Ainsi, des défauts natifs à l'interface cristal-amorphe semblent agir comme des germes favorisant la nucléation de la première dislocation qui va initier la plasticité.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la nucléation de dislocations depuis la surface d'un métal cfc sous contrainte, par le biais de simulations à l'échelles atomiques et de modèles basés sur la théorie élastique des dislocations. La nucléation depuis les surfaces, qui initie la plasticité dans les matériaux à l'échelle nanométrique, implique le franchissement d'une barrière d'énergie ; celui-ci se fait par activation thermique. Nous avons pu déterminer le rôle de différents facteurs, comme la température ou l'état de surface, sur l'évènement de nucléation. Plusieurs méthodes atomistiques ont été employées de concert pour déterminer les paramètres d'activation associés à la barrière d'énergie : le rayon critique que la dislocation doit atteindre pour devenir stable et se propager, l'énergie et le volume d'activation. Enfin, des éléments sur la cinétique des dislocations et sur les évènements plastiques subséquents à la nucléation ont pu être obtenus.