Les séminaires de l'UMET

Ces dernières années, de nouvelles techniques d'expérimentation en cellule diamant ont été développées pour l'étude in-situ de la contrainte, déformation, élasticité, et des orientations préférentielles dans des matériaux sous très haute pression. Elles impliquent l'utilisation de nouvelles cellules diamant comportant de larges ouvertures, de joints et chambres à échantillons transparents aux rayons X, la collecte d'images de diffraction de haute précision, et une analyse méticuleuse des images obtenues.

Les échantillons polycristallins sont soumis à de larges déformations et contraintes non-hydrostatiques. Les orientations préférentielles obtenues dans l'échantillon sont comparées aux résultats de modélisations numériques pour la déduction des mécanismes de déformations actifs. Les mesures de variations de distances inter-réticulaires en fonction de l'orientation dans le champ de contrainte sont étudiés par des méthodes de déformation de réseau pour remonter aux contraintes et propriétés élastiques du matériau. Ces techniques ont maintenant été appliquées à l'étude de plusieurs matériaux de la Terre profonde, comme MgO, la perovskite silicatée ou le fer hcp et ces résultats seront présentés.

Ce mémoire est une contribution à l’étude par microscopie électronique en transmission (MET) de la relaxation des contraintes dans les hétérostructures semiconductrices fortement désadaptées. Deux faits saillants y sont rapportés.

Premièrement, un protocole d’étude quantitative des hétérogénéités de contrainte, associées aux nanostructures cohérentes qui se forment lors de l’épitaxie, a été mis au point. La caractéristique principale de ces hétérostructures est l’apparition d’une transition 2D-3D du mode de croissance lors des premiers stades de croissance. Cette transition se manifeste par la formation de nanostructures 3D, dotées de propriétés optoélectroniques remarquables. Ces propriétés sont dues à la faible dimensionnalité de ces nanostructures mais aussi à leur caractère cohérent. Faute de preuves expérimentales tangibles, cette caractéristique a fait l’objet de nombreuses controverses au début des années dix-neuf cent quatre-vingt dix même si elle était soutenue par certains modèles théoriques mettant en avant un nouveau mécanisme de relaxation par déformation élastique des îlots contraints. Nos premières observations MET nous ont permis de confirmer ces modèles et de lever toute ambiguïté. Cette relaxation élastique des contraintes se traduit par des champs de déformation hétérogènes du fait de la géométrie particulière des nanostructures, mais aussi à cause des phènomènes de ségrégation des espèces chimiques qui peuvent se produire pendant la croissance cristalline. Il est donc impératif de disposer de données expérimentales fiables et précises sur la géométrie des nanostructures et sur leur composition chimique, et ceci à une échelle aussi fine que possible pour pouvoir comprendre et prédire leurs propriétés physiques. Ce point est au centre des activités de recherches exposées dans la première partie. L’approche développée est fondée sur l’analyse des contrastes observés en MET en mode imagerie (champ noir/champ clair). Cette analyse a pour principe la comparaison des contrastes des images expérimentales et des contrastes simulés en injectant dans les équations de la théorie dynamique de diffraction des électrons les champs de déplacement calculés par la méthode des éléments finis. Nous avons pu montrer, pour la première fois, que la MET, en mode imagerie, est très sensible aux hétérogénéités de composition chimique des îlots contraints et à leur géométrie. Nous avons en outre montré qu’il est possible de découpler les deux paramètres.

Deuxièmement, un nouveau mécanisme de nucléation des dislocations de désadaptation de réseau a été découvert dans ces hétérostructures. Ce mécanisme a été mis en évidence à l’issue d’une étude menée par MET en moyenne résolution (vue plane) et en très haute résolution (vue transverse). Cette étude nous a permis de localiser de façon précise les sites de nucléation des premières dislocations par rapport aux îlots préexistants: les dislocations sont trouvées systématiquement en plein centre des zones de coalescence d’îlots, ce qui met à jour un nouveau mécanisme de relaxation plastique dans ce type d’hétérostructure. Ce mécanisme est basé sur l’introduction de dislocations en début de coalescence, là où les concentrations de contraintes sont les plus importantes. Ce dernier point a été quantifié à partir de calculs réalisés par la méthode des éléments finis.

Quantitative information about the local stress state as well chemical composition in atomic and nano-scale is necessary to understand the electronic and opto-electronic properties of materials and devices based on the quantum dots and quantum wells. On the other hand this kind of local information can help in investigation of the stress relaxation mechanism during grown of the no adopted heterostructures.

Application of the image processing technique for the local strain measurement from High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) coupled with different approach of the FE modeling will be presented in the case of:

• Determination of the shape and composition of the burned nano-clusters and nano-inserction superlattices in ternary semiconductor heterostructures ( CdTe/ZnTe, GaN/InGaN)
• Measurement of the stress fields from experimental HRTEM images using FE solver and continuum dislocation theory (dislocation network at CdZnTe/GaAs interface and low angle boundaries in GaN).

Les simulations numériques de la plasticité ont connu, au cours de ces dernières années, des développements très importants. C’est en particulier le cas des simulations de Dynamiques des Dislocations (DD) développées par L. Kubin et ses collaborateurs du LEM-ONERA.

Aujourd’hui, nous utilisons et participons au développement des simulations DD, en les appliquant aux minéraux du manteau terrestre. La simulation de DD développée au laboratoire permet notamment de simuler la plasticité de matériaux cristallins à symétrie non cubique. Le développement majeur que nous espérons apporter maintenant est la prise en compte des phénomènes de montée des dislocations.

Parallèlement aux strictes simulations DD, nous travaillons, en collaboration avec le LEM, sur un nouveau modèle de couplage entre dynamique des dislocations et calculs par la méthode des éléments finis : le Modèle Discret Continu (MDC). Ce type de couplage, dont les premières études ont été menées au LEM, permet de modéliser des chargements complexes ou encore de tenir compte de microstructures particulières.

Très prometteur, le MDC doit nous permettre de traiter des problèmes de plasticité dans les matériaux élastiquement anisotropes.

Les champs de déformation ont une influence fondamentale sur les propriétés opto-électroniques des composants à base de nano-structures (puits et boites quantiques) d’alliages de semiconducteurs III-V. Il est donc important de caractériser avec précision ces champs qui sont le plus souvent hétérogènes, du fait de la géométrie particulière des nano-structures élaborées, mais aussi à cause des phénomènes de ségrégation des espèces chimiques qui peuvent se produire lors de la croissance.

Dans ce cadre, nous présentons, à l’exception des techniques directes d’analyse chimique (EDS, EELS), les différentes méthodes de microscopie électronique qui permettent de déterminer à l’échelle nanométrique, soit les champs de déformation, soit les compositions dans les nanostructures. Ces techniques sont basées sur la comparaison des images expérimentales avec des images simulées utilisant, dans la majeure partie des cas, des calculs par éléments finis des champs de déformation.

Nous présentons les résultats obtenus par diverses équipes en microscopie haute résolution et ceux obtenus en imagerie conventionnelle (contraste dynamique en deux-ondes) ou, dans le cas des puits enterrés, en diffraction en faisceau en convergent à grand angle. Nous tenterons enfin de dégager de ces études les paramètres de microscopie nécessaires à l’analyse quantitative des images et des intensités diffractées dans le cas de ces systèmes qui, outre leur intérêt technologique, sont aussi considérés comme modèles, de par leur qualité cristallographique.

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 délicate fumée qui va donner le bon goût de fumée aux saucisses. Dans ce cas c’est très bon. De toute façon, les échantillons seront analysés sur place.

Les os et articulations sont des systèmes complexes tant au niveau de la géométrie et du matériau. L'exposé va présenter dans une première partie, la méthodologie de modélisation développée intégrant les caractéristiques géométriques et mécaniques simultanément via les techniques d'imagerie médicale. Dans une deuxième partie, l'étude des propriétés mécaniques multi-échelle du tissu osseux sera présentée et comment s'intègrent ces données dans les modélisations effectuées au niveau du système ostéoarticulaire. Les applications de ces modèles concernent la quantification des malformations osseuses et articulaires et l'étude du comportement mécanique des prothèses à court et long terme.

High-throughput and combinatorial methods unlock novel approaches to investigations of fundamental properties of materials, allowing for studies that ultimately promise greater efficiency for materials discovery and optimization. To this end, NIST has recently established the NIST Combinatorial Methods Center (NCMC) for development of advanced techniques for combinatorial materials property measurements and characterization. Through development of unique techniques for creating continuous gradient of polymer composition spreads, film thickness and surface energy, in conjunction with in-situ processing using orthogonal temperature or UV gradients, we are able to investigate a multitude of phenomena in polymeric materials. On-going work includes characterizing phase separation, dewetting, crystallization, reactive polymers and epoxy curing, crazing and fracture, polymer - polymer/metal/ceramic adhesion, modulus, rheology and viscoelasticity. The talk will illustrate recent efforts in development of a novel combinatorial approach for examining fundamental mechanisms of polymer adhesion and adhesive strength of metal-polymer interfaces. We also discuss a novel high-throughput technique to measure mechanical properties of thin polymer films. Finally, we discuss the development of high-throughput millifluidic methods through development of microscale devices for measuring physical properties of complex polymer blends, solutions and formulations. For more details visit www.nist.gov/combi.html

L'étude expérimentale de la plasticité des minéraux à haute pression et haute température permet une meilleure compréhension des processus géophysiques tels que la convection mantellique.

Afin de mieux connaître les propriétés plastiques des minéraux du manteau, des expériences de déformation en cisaillement ont été effectuées dans une presse multi-enclumes sur de la forstérite, Mg2SiO4. L’assemblage utilisé est similaire à celui développé par Karato et Rubie (1997) : un échantillon de Mg2SiO4 préalablement fritté et contenant un marqueur de déformation est placé entre deux pistons d’alumine coupés à 45°. Les contraintes accumulées pendant la compression à froid sont relaxées à haute température par déformation plastique en cisaillement de l’échantillon. Les échantillons sont déformés à 11GPa à une température de 1400°C qui est maintenue pendant 1 minute, 1 heure et 8 heures. Ainsi, nous pouvons étudier l’évolution de la déformation de la forstérite en fonction du temps ainsi que l’évolution des contraintes dans ce type d’assemblage.

Les microstructures engendrées sont ensuite caractérisées au Microscope Electronique à Transmission (MET) et à Balayage (MEB) en utilisant la technique de Electron Back Scattered Diffraction (EBSD). L’observation au MEB de la rotation du marqueur de déformation montre que le taux de déformation est inférieur à 10% après 8 heures à 1400°C. Les textures analysées par EBSD confirment ce faible taux de déformation. Dans la forstérite frittée et après une simple compression à froid, aucune texture n’est mise en évidence. Après 1 heure de chauffage, une faible texture apparaît avec une tendance à l'alignement des axes c parallèlement à la direction de cisaillement et des axes a perpendiculairement au plan de cisaillement. Après 8 heures de chauffage, la texture s’estompe alors que les grains commencent à croître. Après compression à froid et une minute de chauffage, les observations au MET montrent des dislocations [001], vis et coins, avec une densité d’environ 1014 m-2. Après une heure, la microstructure est constituée principalement de dislocations vis [001] avec une densité de 1013 m-2. Après huit heures, seuls quelques grains montrent une microstructure comparable à celle observée après une heure de chauffage, les autres sont vierges.

Ces observations préliminaires montrent que dans les conditions expérimentales choisies (11 GPa, 1400°C) les expériences de déformation en cisaillement en presse multi-enclumes ne permettent pas d'obtenir des taux de déformation importants. Les observations en MET suggèrent que cette résistance de la forstérite à la déformation plastique pourrait être corrélée avec l'inhibition sous pression des systèmes de glissement faciles impliquant des dislocations [100].

Les lois de comportement forment une des bases de la modélisation géodynamique. Elles sont basées sur l'idée que les mécanismes de déformation ne concurrencent que de façon rhéologique la dissipation de la contrainte appliquée. Une compréhension moderne des interactions complexes qui existent entre les mécanismes de déformation, et la possibilité de localisation de déformation, nécessite l'application des lois de comportement dynamique. Avec de telles lois, la réponse mécanique évolue en fonction de l'histoire individuelle de chaque volume de roche, même sans déformation.

Une nouvelle forme de simulation numérique a été développée. Elle permet la prédiction de l'évolution couplée du champ de déformation, de la résistance à la déformation et de la microstructure des roches de la croûte inférieure et du manteau supérieur. Ces expériences, ainsi que les expériences analogiques liées, fournissent une nouvelle approche des contraintes nécessaires au développement des lois de comportement dynamiques (1) zones non-balayes pendant la croissance de grains (2) localisation de deformation dans un systeme complexe

Elastic wave velocity measurements on mantle minerals and rocks provide the data for direct comparison with seismic obsrvations and deductions about the structure and composition of the Earth's interior. In the last decade, considerable progress has been achieved in our laboratory in conducting acoustic velocity measurements at high pressures and temperatures using multi-anvil, high-pressure apparatus. By combining synchrotron X-radiation and ultrasonic velocity measurements, we have extended the experimental capabilities in multi-dimensions, thereby enabling more complete characterization of solid and liquid materials to pressures of P>22 GPa and temperatures T>1600K. These expanded facilities now allow us to conduct simultaneous measurements of sound velocities using ultrasonic interferometry, crystal structure and unit cell parameters using X-ray diffraction, and sample length using X-ray imaging, all at high P & T. These combined measurements not only provide the determination of pressure derivatives of elastic moduli without using a secondary pressure standard, but also can be used to establish an absolute pressure scale. The full capacity of the multi-faceted measurements described above will be illustrated with new data on polycrystalline wadsleyite (ß-Mg2SiO4) [1], ortho- and high-pressure clinoenstatite and ferropericlase (Mg,Fe)O [2], and single crystal ZnO [3]. These techniques are applicable to the study of elastic properties of materials undergoing phase transformations, melting, and/or plastic deformation, or multi-phase aggregate (mantle rocks), or liquids at high P & T, in which the sample length cannot be retrieved from other techniques. Moreover, the utilization of digital equipment provides fast data collection, enabling us to capture rapid variation or the time dependence of the elastic properties under the above circumstances. All of these new developments will bring us high-quality elasticity data for mantle phases at the conditions of the Earth's lower mantle, making the interpretation of seismic data less ambiguous.

La microscopie à force atomique (AFM), de part son haut pouvoir de résolution spatiale, est particulièrement adaptée pour analyser la structure fine des lignes de glissement à la surface de matériaux déformés. L’émergence de dislocations à la surface libre d’un échantillon se traduit en effet par l’apparition de marches dont la hauteur élémentaire est égale à la composante perpendiculaire à la surface du vecteur de Burgers de la dislocation considérée, i.e. de quelques Angström. Ces observations AFM s’insèrent plus généralement dans le cadre d’une meilleure compréhension des différents mécanismes de déformation se produisant dans le volume. L’intérêt de cette microscopie réside également dans sa très grande complémentarité avec la microscopie électronique en transmission (MET) qui est dorénavant devenue un outil incontournable pour l’étude des mécanismes de plasticité; cette dernière technique s’intéresse en effet aux dislocations qui sont ou évoluent dans le cristal, alors que l’AFM étudie justement les dislocations qui ont traversé ce cristal et émergé en surface. Dans le cas de l’AFM, les études microstructurales sur les mécanismes contrôlant la déformation d’un matériau ne se font ainsi plus à partir de l’observation directe du mouvement des dislocations dans un petit volume de matière, mais à partir de l’analyse des effets en surface que les mouvements d’ensemble des dislocations produisent sur une éprouvette massive.

Un dispositif expérimental réalisé au LMP permet de plus l’étude in situ de matériaux sous contrainte. Cet appareillage est constitué d’une micro-machine de compression couplée à un microscope à force atomique et permet de suivre in situ l’évolution de la topographie de surface d’échantillons en cours de compression (ou traction). Outre les avantages liés à l’observation in situ, les contraintes et déformations sont déterminées avec une bonne précision, de telle sorte que chaque image AFM est reliée à la courbe de compression.

L’observation par AFM, in situ ou post mortem, des effets engendrés en surface, soit par compression uni-axiale, soit par nano-indentations, permet ainsi de mieux appréhender un très grand nombre de mécanismes élémentaires de déformation plastique, sur une large gamme de matériaux. On peut citer entre autres comme études plus ou moins abouties, l’anomalie de contrainte dans Ni3Al, le maclage dans CuAl et LaAlO3, les interactions entre empilements de dislocations dans la phase g des superalliages base Ni, la fissuration de films minces métalliques sur substrats polymères, l’observation de sources individuelles de Frank-Read dans MgO, des phénomènes de cross-slip dans Si3N4...

D’une manière plus générale, ces différentes études montrent l’intérêt des observations AFM dans le vaste domaine de la déformation plastique et réactualise l’observation de surfaces de matériaux déformés, largement étudiée par le passé, mais à une échelle spatiale jusqu’à maintenant inégalée.

On présentera quelques exemples de matières polyphasées de grande diffusion contenant des minéraux, comme le papier, le caoutchouc, les plastiques et la peinture en évoquant la problématique spécifique à chaque usage. On tentera ensuite de généraliser l'approche en considérant les différentes étapes depuis la reconnaissance des ressources, l'exploitation, le traitement, la modification contrôlée des propriétés et les questions du réemploi ou du recyclage.

Enfin, on illustrera le propos en traitant de façon complète la question du semi-renforcement des caoutchoucs naturels par la kaolinite, l'exemple qui part du contexte géologique conduira à élaborer des stratégies de modifications qui améliorent les propriétés de service des matières manufacturées.

S'il est bien connu que les propriétés macroscopiques des composites dépendent de la nature des constituants et de leur fraction volumique, de leur arrangement spatial et des interfaces, il était moins usuel, jusqu'à ces dernières années, de s'intéresser aux effets de taille, en l'occurrence aux cas où les dimensions caractéristiques deviennent nanométriques. Dans le cas des polymères, les distances inter-particules deviennent de l'ordre de grandeur du rayon de giration des macromolécules (soit quelques nm), et si on admet l'existence d'une interphase où la mobilité des chaînes macromoléculaires est affectée par la présence des surfaces rigides (adsorption, interactions spécifiques, etc.), une fraction importante de matrice peut être affectée. Par ailleurs, les effets d'interaction particule - particule sont généralement ignorés pour les systèmes classiques, mais semblent pouvoir jouer un rôle prépondérant aux échelles nanoscopiques. La réponse de ces matériaux à une sollicitation mécanique (linéaire ou non) nécessite de prendre en compte ces effets pour l'analyse de leur comportement.

Nous allons passer en revue quelques aspects, liés à la dispersion des charges renforçantes, au rôle de leurs interactions et à l'analyse du comportement mécanique (linéaire et non linéaire).