Les séminaires de l'UMET

Le but de ce deuxième séminaire est de donner les éléments pour développer une approche quantitative de l'analyse EDS sur MET. Nous parlerons de la détermination des facteurs de sensibilité du détecteur (k-facteurs), de la correction d'absorption, des techniques de mesure d'épaisseur pour les différentes classes de matériaux, des erreurs associées à un résultat.

Le but de ce séminaire est de décrire l'appareillage de microanalyse que nous utilisons au CCME. Nous expliquerons les spécificités de l'analyse sur lame mince, l'ensemble de la chaîne de mesure (fenêtre, cristal, pulse processor, .), le mode opératoire d'obtention du spectre, l'optimisation des paramètres d'acquisition, l'identification des raies, le comptage du nombre de coups dans les pics.

Nous présentons l’activité d’Epitaxie par Jets Moléculaires à l’IEMN. Après une brève analyse des conditions historiques qui ont façonné le style spécifique de l’EJM dans le Nord de la France, nous nous efforçons de démontrer que l’EJM est une méthode de croissance cristalline simple, voire simpliste, à la portée de tout physicien professionnel sachant réunir les conditions d’acquisition d’une machine à épitaxier.

Nous résumons rapidement le savoir-faire acquis en 18 années d'épitaxie et les nouvelles orientations (des nouveaux matériaux : le diamant, des nouveaux moyens de caractérisation : l’optique femto-seconde, des nouvelles échelles : le laboratoire commun avec un industriel de l’épitaxie).

Enfin, nous essayons de montrer par quelques exemples concrets qu’au-delà de la vulgarisation et des déclarations d'intentions programmatiques, l’épitaxie par jets moléculaire peut être source de problèmes scientifiques relatifs à l’imperfection des hétérostructures et de leurs interfaces et à des effets physiques intervenant sur le comportement des composants de la microélectronique rapide.

La mesure des propriétés rhéologiques des matériaux sous haute pression de confinement fut l’objectif de plusieurs groupes de recherche de part le monde au cours de la dernière décennie. Le but est d’importance, tant en Sciences des matériaux qu’en Sciences de la Terre ; les premières s’intéressant aux aspects fondamentaux de la déformation sous haute pression, et les secondes tâchant d’obtenir les propriétés rhéologiques des phases du manteau terrestre afin, par exemple, de contraindre la convexion mantellique. Ces efforts n’ont abouti que très récemment à cause des difficultés liées à ce type d’étude : la contrainte déviatorique s=s1-s3 et la vitesse de déformation de/dt demeurant jusqu’à maintenant inaccessibles, « cachées au cœur » des appareils de haute pression.

Le principe de la mesure rhéologique sous haute pression, maintenant réalisée en routine à la National Synchrotron Light Source, (NSLS, NY, USA) par l’équipe du Pr. Weidner du Center for High Pressure Research, est le suivant. La déformation e est déduite des déformations élastiques microscopiques (relaxation à déformation totale nulle), elles-mêmes mesurées par l’élargissement et le glissement des pics de diffraction. La déformation macroscopique est mesurée par radiographie X des échantillons dans la presse. On notera que ce type d’équipement résolu en temps, permet également les mesures de viscosité et de densité de fluides sous haute pression (technique de la sphère tombante et/ou mesure d’absorption différentielle). La contrainte interne si est elle aussi déduite des déformations élastiques microscopique, en utilisant les constantes élastiques du matériaux, tandis que la contrainte externe s (déformation uniaxiale) est déduite de la mesure de l’ellipticité des anneaux de Debye issus de l’échantillon. Ces récents développements permettent déjà l’obtention de lois rhéologiques précises à des pressions atteignant 25 GPa et pour des températures dépassant 1200°C.

Ces nouvelles techniques seront présentées, ainsi que leur application à l’étude de la plasticité de l’olivine, le constituant majeur du manteau supérieur terrestre, dont les propriétés rhéologiques sous haute pression contraignent largement la dérive des continents.

Avec le lancement du satellite européen ISO, la connaissance des poussières silicatées interstellaires et circumstellaires a beaucoup progressé. D’abord principalement cristallins à leur formation, les silicates (olivine ou pyroxènes) sont vraisemblablement amorphisés durant leur séjour dans le milieu interstellaire (MIS). Puis ces mêmes poussières sont transformées pendant leur incorporation dans les étoiles jeunes puisque l’on retrouve des signatures cristallines dans les disques proto-planétaires et dans les comètes. Ces différentes observations montrent que les silicates évoluent à chaque étape de leur cycle de vie.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les évolutions de structure et de composition des silicates sous irradiation. L’observation des dégâts d’irradiation a été réalisée par microscopie électronique en transmission. Deux types d’irradiation ont été étudiés : l’irradiation ionique He+ basse énergie pour tester l’efficacité d’amorphisation des ondes de choc de supernovae dans le MIS et l’irradiation électronique pour simuler les radiations ionisantes des environnements circumstellaires.

Nous avons montré que les silicates s’amorphisent sous irradiation ionique. Nous avons aussi mis en évidence des modifications de la composition chimique. Ainsi le passage d’ondes de choc de supernovae pourrait effectivement être responsable de l’amorphisation des silicates dans le MIS.

Des transformations de phase et des modifications chimiques ont aussi été observées suite à une irradiation électronique. En particulier ce type d’irradiation permet une recristallisation à basse température, comme cela pourrait s’être produit dans les milieux circumstellaires.

Ainsi ces expériences montrent que les irradiations des environnements interstellaires et circumstellaires peuvent expliquer phénoménologiquement l’évolution des poussières telles qu’elles sont observées dans différents objets astronomiques par le satellite ISO.

Afin de mesurer la quantité d'Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques produits lors d'une cuisson au barbecue, des échantillons sont préparés à partir de saucisses, cuites sans précaution particulière. Les saucisses sont positionnées sur une grille, au dessus des braises incandescentes de charbon de bois pour générer l'énergie infrarouge qui va réaliser la cuisson. La chaleur émise par le charbon de bois va provoquer la perte de graisse et ces gouttelettes de graisse, qui vont tomber sur les braises incandescentes vont se traduire par la création de fumée. Si les charbons incandescents sont trop proches de la grille sur laquelle cuisent les saucisses il va y avoir des pertes rapides de graisse qui vont s'enflammer le cas échéant, donc il y a des flammes, et ces flammes vont carboniser la surface inférieure des saucisses. Les saucisses sont alors un peu carbonisées. Dans ce cas c’est moins bon. Si la grille est un peu surélevée, les saucisses cuisent beaucoup plus doucement. La graisse contenue dans les saucisses suinte doucement et génère, au contact avec les braises, une fumée qui va donner le bon goût de fumée aux saucisses. Dans ce cas c’est pas mal. De toute façon, les échantillons seront analysés sur place.

Nous avons mis au point une simulation tridimensionnelle de la dynamique des dislocations et de leurs interactions. L'objectif est d'étudier la plasticité du monocristal CFC à partir d'une description réaliste des mécanismes physiques élémentaires qui la gouvernent. La simulation Mixte est une dynamique des dislocations à caractère de ligne discrétisé, qui permet de traiter de façon parfaitement rigoureuse les jonctions entre dislocations. En outre, elle est pourvue de conditions aux limites périodiques qui permettent d'équilibrer automatiquement les flux de dislocations entrant et sortant du volume simulé et de définir sans ambiguïté la densité de dislocations.

Une première application nous a conduits à étudier l'écoulement plastique dans les monocristaux CFC. Sans aucun paramètre ajustable, on retrouve la loi d'échelle de la forêt et la force globale des obstacles sécants. Nous avons ensuite cherché à dégager la contribution des différentes interactions entre systèmes de glissement. Leur force est très variable. Les interactions dipolaires sont faibles, tandis que les jonctions constituent bien, globalement, des obstacles durs. L'interaction entre systèmes primaire et dévié, qui a jusqu'ici soulevé peu d'intérêt, apparaît enfin comme étant la plus forte de toutes. Ce résultat surprenant mérite d'être étudié en détail car il est susceptible d'apporter de nouvelles réponses à des problèmes mal compris comme la formation de microstructures de dislocations organisées et le poids relatif des termes diagonaux et non-diagonaux dans les matrices d'écrouissage.

Depuis de nombreuses années, l’affinement de la microstructure des matériaux constitue un des objectifs principaux pour les concepteurs de tout type de nouveaux matériaux qu’ils soient métalliques (ODS « oxide dispersion strengthening »), polymériques (par exemple : ajout de particules nanométriques de silicate d’aluminium pour augmenter la stabilité thermique) ou céramiques (TZP, céramiques à base de zircone stabilisée sous la forme quadratique) [1]. Ces structures microniques ou submicroniques présentent une augmentation importante de diverses propriétés mécaniques, thermiques, optiques, magnétiques…Du point de vue mécanique, l’affinement des microstructures implique en effet une multiplication des obstacles au mouvement des dislocations responsable de la dégradation des métaux et une diminution considérable de la taille du défaut critique provoquant la rupture des matériaux fragiles en général ainsi que l’apparition de grains submicroniques de phases cristallographiques instables à température ambiante mais stabilisées sous l’effet de la contrainte de la matrice dans le cas de la zircone. A la suite de ces résultats très prometteurs, un véritable engouement est né pour la recherche de structures toujours plus fines.

L’obtention de microstructures céramiques submicroniques implique :
1) l’utilisation de poudres très fines pour diminuer la température de frittage et suffisamment pures pour éviter la formation de phase liquide,
2) l’application d’une pression extérieure lors du frittage (pressage à chaud ou compression isostatique à chaud) pour favoriser la consolidation par rapport à la croissance des grains. Il est également bien connu que la présence de dispersoïdes de l’ordre de 0,5 à 1 µm au sein d’une matrice céramique gêne considérablement le phénomène de croissance cristalline (effet Zener) et peut conduire au développement d’une microstructure homogène de l’ordre du micron.

En 1991, Niihara et Nakahira [2] ont inventé le concept de « nanocomposites » en présentant les résultats mécaniques obtenus pour des matériaux céramiques constitués par une dispersion (de 2% à 10% mole) de très fines particules de carbure de silicium (de quelques dizaines de nanomètres à 0,5 µm) dans une matrice d’une autre nature (alumine, nitrure de silicium, mullite ou cordiérite). Ils annonçaient à l’époque une augmentation spectaculaire de la résistance en flexion (+ 250%) et une température d’utilisation maximale fortement améliorée. Par contre, la ténacité de ces nanocomposites restait tristement modeste (+ 40 %).

De nombreux travaux ont été menés depuis lors par des chercheurs issus de différents de laboratoires afin de reproduire ces résultats, de comprendre les mécanismes de renforcement effectifs et d’étudier toutes les perspectives qu’offrent ces nouveaux matériaux céramiques. Aujourd’hui, après 10 ans de recherches, il paraît utile de réaliser une synthèse des résultats publiés afin d’en dégager les points forts ainsi que l’avenir de ces matériaux nanostructurés.

Cet exposé résumera les résultats des différentes études effectuées sur les systèmes alumine/SiC, Si3N4/SiC et alumine/particules métalliques. Les diverses théories proposées pour expliquer le renforcement obtenu seront décrites et discutées. Enfin quelques exemples de développement de matériaux en couches seront présentés ainsi que les perspectives de ces matériaux nanostructurés.

L’auto-assemblage de briques moléculaires par interactions non covalentes dont le contrôle est assuré a priori par les processus de reconnaissance moléculaire représente une nouvelle voie pour l’élaboration de nouveaux solides fonctionnels à partir de constituants moléculaires. L’enjeu de cette approche est la maîtrise des différents stades de l’organisation qui permettent d’accéder à un solide macroscopique défini tant du point de vue structural que fonctionnel, à partir d’objets moléculaires conçus et façonnés à l’échelle microscopique.

Nous verrons comment cette approche permet l’élaboration de structures mono-dimensionnelles de topologie définie, par le seul contrôle des sites de reconnaissance et de la structure des composants moléculaires, et comment engendrer par exemple des fils moléculaires linéaires, en zigzag ou hélicoïdaux. A partir de briques moléculaires ayant des structures en anneau, on montrera comment nous avons de même pu aboutir à la formation de structures nanotubulaires par empilement coaxial de ces anneaux.

L’obtention de solide hybrides inorganique-organiques est le deuxième enjeu important de cette approche. Nous présenterons quelques exemple de telles associations dans lesquelles l’utilisation de liaisons hydrogène permet d’assembler des entités inorganiques anioniques au moyen de cations organiques adaptés à celles-ci. Nous présenterons également une exemple d’assemblage conduisant à la formation de centres rendus chiraux par une association supramoléculaire dans la seconde sphère.

Après avoir rappelé quelques principes de base sur le fonctionnement des composants électroniques, nous analysons l’impact des caractéristiques physiques des nitrures sur la réalisation de fonctions optoélectroniques (lasers, amplification). Dans la deuxième partie, nous abordons la problématique posée par la description des propriétés de transport électrique de GaN massif (remise en cause de la notion de temps de relaxation, rôle du comportement collectif des dislocations) et des puits quantiques qui lui sont associés (rôle de la localisation électronique sur les mécanismes de diffusion associés aux phonons).

S’appuyant sur les méthodes de la mécanique des structures et sur les connaissances en sciences des matériaux, le calcul de microstructures est devenu un outil privilégié et accessible de la mécanique des matériaux hétérogènes. Il s’impose pour le calcul de composants industriels dont la taille est de l’ordre de grandeur de celle des hétérogénéités, ou qui présentent des singularités géométriques telles que des microperforations. Le calcul de volumes élémentaires représentatifs de matériaux hétérogènes permet de prévoir l’influence de la morphologie des phases et de leur répartition sur les propriétés effectives linéaires ou non, l’objectif in fine étant l’optimisation de microstructures. La méthode donne accès aux valeurs locales des contraintes et déformations qui permettent ensuite de prévoir l’apparition et la propagation de l’endommagement. On insiste sur les moyens actuellement disponibles pour obtenir des représentations réalistes tridimensionnelles des microstructures et sur les moyens de calcul à mettre en oeuvre. La difficulté du choix et de l’identification des lois de comportement des constituants demeure le facteur limitant. Les exemples présentés concernent les alliages polycristallins, les revêtements multicristallins, les mousses métalliques et des biphasés à fort contraste de propriétés.

Ce séminaire a pour objet d'inciter les personnes intéressées à la réflexion sur notre interaction avec la biologie. A partir d'exemples de recherches et de résultats récents spectaculaires pris à travers les laboratoires les plus avancés dans le domaine, des pistes de recherche ou de réflexion seront proposées. Une présentation de nos travaux en cours sur ces sujets sera aussi présentée.

Les ions lourds produits au GANIL, du fait de leur grande énergie, créent le long de leur passage une importante perturbation dans la cible. Des traces sont notamment observées dans les matériaux massifs irradiés avec de tels ions. L’observation par microscopie électronique de ces traces a montré qu’il s’agissait d’une zone de taille nanométrique. En outre, la distance sur laquelle s’effectue le dépôt d’énergie de l’ion dans la cible est de l’ordre de la dizaine de nanomètres. Le but de mon travail de thèse était de répondre à la question suivante : que se passe-t-il lorsque la dimension des cristallites de la cible devient du même ordre de grandeur que l’extension radiale du dépôt d’énergie ? Plus généralement, existe-t-il un effet de la taille des cristallites de la cible sur l’endommagement induit par irradiation avec les ions lourds ?

Avant de rentrer dans le vif du sujet, je m’arrêterai sur l’interaction ions lourds - matière. Je ferai alors le point sur les connaissances de cette interaction ainsi que sur les paramètres importants à prendre en compte lors des études de cette interaction. Je décrirai ensuite les expériences réalisées au cours de ma thèse. Plus précisément, après quelques mots sur le GANIL et la SME (Sortie Moyenne Energie), je passerai au dispositif de caractérisation des échantillons : le diffractomètre à rayons X, nommé CHEXPIR (Chambre d’Expérience de diffraction X pour la Physique des Ions Rapides). Enfin, je présenterai les résultats de l’irradiation des échantillons d’oxydes d’yttrium. De l’évolution des spectres de diffraction X avec la fluence, je déduirai une cinétique de transition de phase dans les oxydes en fonction du pouvoir d’arrêt électronique des ions et j’étudierai l’évolution de la taille des grains et des déformations induites par l’irradiation. Je proposerai une interprétation des résultats grâce au modèle de la pointe thermique.

Les surfaces de polymères solides sont fragiles à la rayure et la prédiction du comportement pour une propriété d’usage aussi « simple » que la rayabilité est aujourd’hui limitée à une réponse encore qualitative. Des solutions technologiques sont utilisées avec succès (revêtements, …), mais l’explication de cette réussite reste à donner. Les verrous scientifiques sont la modélisation physique et mécanique du contact mobile entre deux surfaces dont l'une au moins est en polymère.

Le développement de l’instrumentation dans les techniques de nanoindentation et de microscopie à champ proche (AFM notamment) a permis d’envisager la mesure de propriétés mécaniques de surface pour des épaisseurs et volumes de plus en plus petits. Nous avons appliqué ces mêmes développements technologiques au dispositif de rayure, et l’appareil développé au laboratoire autorise l’observation de la surface in-situ de contact pour des rayures générées à température contrôlée (-70°C +110°C) et à vitesse variable (1µm/s – 10mm/s). L’analyse du contact en mouvement tangentiel entre une pointe rigide et la surface d’un polymère solide sera présentée. Le début de l’analyse de la tenue des dépôts minces sera présenté.