De par leurs propriétés physico-chimiques spécifiques, les nanomatériaux attirent de plus en plus la communauté scientifique. Dans ce contexte, il est important d'améliorer les techniques de caractérisation à l'échelle nanométrique. Ce travail de thèse est basé sur le développement de techniques de diffraction électronique pour l'étude de matériaux bi-dimensionnels et tri-dimensionnels.La diffraction électronique en faisceau convergent contient de nombreuses informations sur la structure l'échantillon. Ces informations, portées par les lignes de HOLZ, permettent de déterminer l'épaisseur de l'échantillon, le facteur de structure, la direction d'observation, la tension d'accélération des électrons, ainsi que la longueur de caméra. Des ambiguïtés existent dans la détermination de l'état de contraintes car un cliché expérimental est une projection bi-dimensionnelle d'une information tri-dimensionnelle. Il a été possible au cours de cette thèse de réduire ces ambiguïtés et de déterminer ainsi les composantes diagonales du tenseur de déformation à partir d'une seule direction d'observation. En étudiant l'élargissement des lignes de HOLZ, dû à une déformation non uniforme dans le sens de propagation des électrons, il a été possible de remonter au champ de déplacement suivant l'axe du faisceau d'électrons.La seconde partie de cette thèse s'intéresse aux matériaux bi-dimensionnels comme le Graphène, le Nitrure de Bore (BN) et le disulfure de Molybdène (MoS2). L'interprétation du contraste d'une image de microscopie électronique en transmission haute résolution est discutée, notamment sur l'importance de l'orientation de l'échantillon et des aberrations. Une méthode de mesure de l'orientation d'un échantillon bi-dimensionnel basée sur la projection des tâches de diffraction est présentée. Enfin, trois techniques de mesure d'épaisseur sont comparées en les appliquant à quelques couches atomique de MoS2 et BN. / The small dimensions of nanomaterials give them remarkable properties attracting the scientific community. In order to understand and control these properties, it is essential to characterize them at the nanometer scale. This thesis work is based on the development of electron microscopy diffraction techniques for the study of two and three dimensional materials.Convergent Beam Electron Diffraction patterns contain large amount of information on the sample geometry. This information, carried by HOLZ lines, allows to determine the sample thickness, the structure factor, the direction of observation, the electron acceleration voltage and the camera length. Ambiguities in strain measurement arise from the experimental two-dimensional projection of three-dimensional information. During this thesis, it has been possible to reduce these ambiguities and therefore to measure the diagonal components of the deformation gradient tensor from one direction of observation only. By studying the HOLZ lines broadening, due to a non-uniform strain along the electron beam direction, it has been possible to retrieve the displacement field along the beam direction.The second part of this thesis is focused on the study of two-dimensional materials such as Graphene, Boron Nitride (BN) or Molybdenum disulfide (MoS2). The delicate interpretation of the contrast of high-resolution transmission electron microscopy images and especially the importance of aberrations and sample tilt on this contrast is discussed. A method to quantify two-dimensional sample orientation using diffraction spots projection effect is presented. Finally, three thickness measurement techniques are compared by applying them to few-layered MoS2 et BN.

La connaissance des déformations et des contraintes est importante pour une meilleure compréhension des propriétés des matériaux. Plusieurs techniques expérimentales sont disponibles (XRD, Raman …), mais une seule est capable de déterminer les déformations à une échelle microscopique : la diffraction électronique en faisceau convergent (CBED : Convergent Beam Electron Diffraction). Cette technique est connue pour sa haute résolution spatiale (de l'ordre de quelques nanomètres) qui provient de son utilisation dans un Microscope Électronique en Transmission (MET). Les clichés de diffraction en faisceau convergent sont constitués de lignes de HOLZ dont la localisation dépend de la valeur des paramètres cristallins ou de la déformation du matériau. La comparaison de la position des lignes entre un cliché expérimental et un cliché simulé permet la détermination des paramètres cristallins. Dans ce travail, nous avons appliqué une nouvelle approche pour la détermination des paramètres cristallins. Elle utilise l'équation algébrique des "K-lines" et offre la possibilité de travailler simultanément avec plusieurs clichés de diffraction. Nous avons quantifié l'incertitude associée à l'approche KLEBS. Les causes de l'incertitude ont été présentées et nous avons proposé une approche statistique (multi-clichés) pour réduire sa valeur. Ensuite, l'approche multi-clichés a été appliquée à l'étude des superalliages monocristallins à base nickel, et une nouvelle méthode a été proposée pour la détermination du désaccord paramétrique. La dernière partie de ce travail traite de l'étude des hétérogénéités de déformation dans un matériau déformé plastiquement / The knowledge of strains and stresses is important for a better understanding of the materials properties. Several experimental techniques are available (XRD, Raman ...), but only one allows the determination of the strain at a microscopic scale: the Convergent Beam Electron Diffraction (CBED). This technique is known for its high spatial resolution (of a few nanometers), which comes from its use in a Transmission Electronic Microscope (TEM). The diffraction patterns acquired with a convergent beam are constituted of HOLZ lines whose localization depends on the values of the lattice parameters or strain of the material. The comparison of the lines position between an experimental and a simulated pattern allows the determination of the lattice parameters. In this work, we have applied a new approach for the lattice parameters determination. It is based on the algebraic equation of "K-lines" and enables to work simultaneously on several diffraction patterns. We have quantified the uncertainty linked to the KLEBS approach. The causes of the uncertainty have been presented and we have proposed a statistical approach (multiple patterns) to reduce its value. Then, the multiple patterns approach has been applied to the study of the single crystal nickel based superalloys, and a new method for the misfit determination has been proposed. The last part of this work deals with the study of the strain heterogeneities in a material plastically strained

Ce travail de thèse est basé sur l'étude des déformations dans les matériaux à l'échelle nanométrique. En effet, depuis une dizaine voire une quinzaine d'années, le développement de nouveaux matériaux structuraux ou destinés à l'industrie de la microélectronique nécessite la maîtrise des phénomènes de déformation à une telle échelle. La demande de caractérisation se trouve donc en forte croissance, avec des contraintes de plus en plus forte en termes de résolution spatiale et de sensibilité en déformation. La mise au point et/ou l'amélioration de techniques répondant à ces critères est donc nécessaire. Le microscope électronique en transmission étant l'un des seuls instruments capables de mesurer quantitativement des déformations à l'échelle nanométrique, quatre différentes techniques liées à cet appareil ont été étudiées : la technique des moirés, la diffraction en faisceau convergent, la nanodiffraction et l'holographie en champ sombre. La disponibilité du microscope de dernière génération FEI Titan a permis d'obtenir des résultats marquants pour chacune de ces techniques. Les quatre techniques étudiées font l'objet d'une étude poussée sur leur résolution, leur sensibilité en déformation, leurs limites d'utilisation, leur mode d'acquisition et les contraintes qu'elles imposent dans la préparation d'échantillons. Ainsi, la technique des moirés possède une résolution de l'ordre de la vingtaine de nanomètre avec une sensibilité de 4.10^-4 mais nécessite des échantillons particuliers. La diffraction en faisceau convergent est la technique possédant la meilleure résolution spatiale (1 à 2 nm) combinée à une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Cependant, l'inhomogénéité du champ de déplacement dans l'épaisseur de l'échantillon, phénomène très présent dans les lames minces, rend cette méthode difficile à utiliser de façon courante. La nanodiffraction est probablement la technique la plus facile à mettre en place et s'applique à la plus grande partie des matériaux ou objets. Elle possède une résolution intéressante (jusqu'à 3 nm) mais une sensibilité en déformation limitée à 6.10^-4 dans le meilleur des cas. Pour finir, l'holographie en champ sombre, technique très récente, offre une bonne résolution (autour de 4 ou 5 nm) avec une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Ces quatre techniques sont comparées entre elles sur des échantillons le permettant.

Higher frequencies in the MHz and GHz range and the increasing miniaturization lead to a higher load of the SAW (surface acoustic wave) metallizations. This higher SAW load and the intrinsic stresses result in a stress induced material transport, called acoustomigration. These microstructural changes can destroy the characteristic of the SAW device. Different Al based material combinations were investigated by different authors to improve the reliability of the metallizations and to delay the cost-intensive change to Cu based metallizations. The Cu based metallizations with TaSiN diffusion barriers were also investigated in this work. The barrier layers are necessary to impede the oxygen diffusion into the Cu layer and the Cu diffusion into the piezoelectric substrate. Also in this work the analytical TEM were used as a tool to investigate these microstructural changes in the SAW electrodes. Chemical changes in the metallizations were analysed by EDXS and EELS. The locally high resolved stress measurement in metallizations is a challenge for the future. The CBED (convergent beam electron diffraction) technique has shown the best resolution, however, it can only be applied to TEM lamellas. The aim of this work was to measure the stress within the SAW metallizations by using the CBED method. With it, we could correlate the microstructural changes with the causing stresses within the metallizations. To qualify the CBED method the thermal expansion of Al and Cu single crystals was measured by using a new model for thin TEM lamallas.

Higher frequencies in the MHz and GHz range and the increasing miniaturization lead to a higher load of the SAW (surface acoustic wave) metallizations. This higher SAW load and the intrinsic stresses result in a stress induced material transport, called acoustomigration. These microstructural changes can destroy the characteristic of the SAW device. Different Al based material combinations were investigated by different authors to improve the reliability of the metallizations and to delay the cost-intensive change to Cu based metallizations. The Cu based metallizations with TaSiN diffusion barriers were also investigated in this work. The barrier layers are necessary to impede the oxygen diffusion into the Cu layer and the Cu diffusion into the piezoelectric substrate. Also in this work the analytical TEM were used as a tool to investigate these microstructural changes in the SAW electrodes. Chemical changes in the metallizations were analysed by EDXS and EELS. The locally high resolved stress measurement in metallizations is a challenge for the future. The CBED (convergent beam electron diffraction) technique has shown the best resolution, however, it can only be applied to TEM lamellas. The aim of this work was to measure the stress within the SAW metallizations by using the CBED method. With it, we could correlate the microstructural changes with the causing stresses within the metallizations. To qualify the CBED method the thermal expansion of Al and Cu single crystals was measured by using a new model for thin TEM lamallas.

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