Combinant RBS/C, diffraction des rayons X et modélisations à l'échelle atomique pour étudier des défauts induits par l'irradiation et des changements microstructuraux

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Effets d'irradiation, Défauts cristallins, RBS/C, XRD, Modélisation

Mots-clés

Irradiation,

Effets des rayonnements,

Cristaux -- Défauts,

Rétrodiffusion,

Radiocristallographie

Les particules énergétiques sont souvent impliquées dans les activités de la société moderne. Ils ont contribué à l'essor de l'industrie des semi-conducteurs et pourront à l'avenir jouer un rôle important dans la mise en forme des matériaux de manière contrôlée. Cependant, leur nature énergétique pose de grands défis. Ainsi, il est essentiel d'avoir une compréhension globale des mécanismes sous-jacents des défauts induits par l'irradiation et des changements microstructuraux associés. Expérimentalement, les effets induits par l'irradiation peuvent être suivis par des techniques de caractérisation telles que la rétrodiffusion de Rutherford en mode canalisé (RBS/C) et la diffraction des rayons X (XRD), pour ne citer que ces deux car elles sont extrêmement sensibles aux perturbations au sein des cristaux. Cependant, il n'est pas aisé d'établir un lien clair entre le résultat de la mesure et la quantité et la nature des défauts, et ce lien est généralement fait à partir de modèles phénoménologiques. Dans ce travail de thèse, afin de faire face à ce problème, nous avons couplé modélisations à l'échelle atomique et simulations de signaux de RBS/C et XRD. La première étape a consisté à améliorer un code de simulation RBS/C récemment développé qui peut générer des signaux à partir de structures atomiques. En modifiant les algorithmes décrivant les interactions ion-solide et en ajoutant de nouvelles fonctionnalités, nous avons amélioré la flexibilité du code et son applicabilité à différents types de matériaux. Par la suite, nous avons utilisé le code RBS/C amélioré avec un code pour la DRX, lui aussi utilisant les données de structures atomiques. Avec ces signaux, nous avons extraits des paramètres de désordre et de déformation élastique et nous avons déterminé les cinétiques d'évolution associées et ce, pour un matériau modèle, à savoir UO2. Les défauts d'irradiation ont été générés par dynamique moléculaire (MD) avec la technique de l'accumulation de paires de Frenkel. Les cinétiques issues des modélisations présentent un accord qualitativement étroit avec celles déterminées expérimentalement, indiquant la validité de la méthodologie utilisée. La décomposition des cinétiques modélisées a permis de décrire de façon quantitative l'évolution des différents de types de défauts. Enfin, nous avons calculé les signaux RBS/C et XRD à partir de cellules modèles de Fe produites par MD et contenant chacune un type de défauts à une concentration donnée, les deux informations étant connues. Une comparaison claire du désordre et de la déformation élastique induits par les différents types de défauts dans Fe a été faite. La relation entre le rendement RBS/C et l'énergie des ions sonde a également été étudiée et la dépendance en énergie, fonction de la nature des défauts, a été établie. L'approche globale utilisée dans ce travail doit désormais être étendue et testée dans d'autres matériaux.