Les barres de commande du futur démonstrateur de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium (RNR – Na) nommé ASTRID sont constituées de pastilles de B4C enfermées dans une gaine en acier inoxydable AIM1 (15Cr-15Ni-0,4Ti). En service, les pastilles de B4C sont plongées dans le sodium liquide à une température allant de 500 à 600 °C. Les retours d’expérience des RNR - Na ont mis en évidence que la durée de vie des barres de commande était limitée par leur cinétique de carburation. Cependant, un phénomène de boruration des gaines a été observé lors d’essais réalisés « hors réacteur / hors irradiation ». Afin de maîtriser la durabilité des barres de commandes, il est donc nécessaire d’évaluer précisément la nature de l’interaction entre les gaines en acier et le B4C dans le sodium liquide. Ainsi, deux campagnes d’essai ont été menées : 1. Trois aciers inoxydables (AIM1, 316L et EM10) ont été exposés dans du sodium liquide fortement carburant (ac > 1) à 500, 600 et 650 °C. 2. Les mêmes nuances d’aciers ont été exposées dans du sodium liquide contenant de la poudre de B4C en excès à 500 et 600 °C. La première campagne a été réalisée pour avoir une meilleure compréhension des mécanismes et des cinétiques de carburation des barres de commande. Tout d’abord, l’état de carburation a été caractérisé finement au moyen de différentes techniques d’analyse (microsonde de Castaing, diffraction des rayons X du rayonnement synchrotron, microscopie électronique en transmission). Ensuite, la cinétique de carburation a été simulée à l’aide d’un modèle analytique simplifié de la carburation puis grâce à un outil commercial plus complet de simulation numérique de la diffusion à l’équilibre thermodynamique (DICTRA). Des écarts ont été observés entre les simulations des états de carburation réalisées avec DICTRA et les mesures expérimentales (profil de concentration en carbone et population de carbures). Afin de prédire au mieux l’état de carburation des aciers rencontré à 500 et 600 °C, il a notamment été démontré qu’il est probablement nécessaire de prendre en compte la diffusion du carbone dans les joints de grains et un écart à l’équilibre thermodynamique entre le carbone piégé dans les carbures et le carbone dissout dans la matrice. La deuxième campagne expérimentale a concerné l’étude du système : acier – B4C – Na. Des caractérisations couplées à des études thermodynamique et cinétique ont permis de proposer un mécanisme de carburation et de boruration des aciers. Après la dissolution du B4C dans le sodium, deux phénomènes ont été observés. Le bore réagit avec les aciers pour former une couche duplexe de borures à la surface (MB, M2B) et des borures dans les joints de grains du substrat. La cinétique de formation de la couche de borures dans les aciers suit une loi parabolique. Le carbone entraine une légère carburation des aciers plus en profondeur et le degré de carburation des aciers s’est avéré constant entre 250 et 3000 h d’exposition, ce qui suggère que le phénomène de carburation s’opère probablement avant la formation d’une couche continue de borures.

La capture du carbone de combustion implique le transport de gaz riches en CO2 a haute temperature. Cette etude vise a preciser les facteurs controlant l'oxydation d'alliages chromino-formeurs dans ces environnements. Des alliages modeles Fe–Cr et Fe–Cr–Ni ont ainsi ete exposes a des melanges Ar–CO2–H2O a 650 et 800 °C, et les produits de reaction examines a l'aide de techniques de metallographie conventionnelles. La precipitation de carbures sous des couches d'oxyde indique une sursaturation en carbone a l'interface metal/oxyde, par rapport a l'atmosphere exterieure. Sur la base d'un modele d'equilibre thermodynamique local, les vitesses de carburation et fractions volumiques de precipites mesurees sont utilisees pour evaluer l'influence de la composition de l'oxyde et de la presence d'H2O dans le gaz sur le transport du carbone. En analysant la depletion en chrome dans l'alliage sous-jacent, nous montrons que la carburation limitee sous une couche de chromine n'altere pas la stabilite de l'oxyde. L'evolution morphologique des nodules d'oxydes riches en fer formes a la suite de la rupture localisee de la chromine est mise en relation avec la capacite de l'alliage a fournir du chrome a l'interface metal/oxyde. L'application de modeles de germination-croissance aux cinetiques de developement de nodules permet d'evaluer la resistance des couches de chromine via des frequences de germination determinees a partir des taux de recouvrement de nodules et des gains de masse des echantillons. Nous examinons enfin l'importance relative de la germination et de la croissance des nodules dans le controle de la performance globale des alliages en fonction de la temperature de reaction. / Materials to convey hot CO2-rich gases are needed in carbon capture technologies currently being developed. This work is aimed at investigating the factors controlling the oxidation of chromia-forming alloys in these atmospheres. To do so, model Fe–Cr and Fe–Cr–Ni alloys were exposed to Ar–CO2–H2O gas mixtures at 650 and 800 °C,and the reaction products examined using conventional metallography techniques. Carbide precipitation beneath oxide scales reflects a carbon supersaturation at the metal/oxide interface relative to the external atmosphere: as a gradient of oxygen potential is established across the growing scale, an elevated carbon activity results at the interface if the scale transmits carbon. On the basis of a local equilibrium model, measured carburisation rates and precipitate volume fractions were used to evaluate the influence of oxide composition and of the presence of H2O in the gas on carbon uptake/transport in the scales. Limited carburisation beneath Cr2O3 scales was shown by means of an analysis of subscale chromium depletion not to alter the oxide stability. The morphological evolution of Fe-rich oxide nodules formed as a result of localised Cr2O3 failure was studied in relation to the alloy ability to supply chromium to the metal/oxide interface. Application of nucleation-growth models to the kinetics of nodule development allowed the resistance of Cr2O3 scales to be evaluated in terms of nodule nucleation rates determined from experimental nodule surface coverages and specimen weight gains. The relative importance of nodule nucleation and growth in determining the overall alloy performance as a function of reaction temperature is discussed.

Le metal dusting est un type de corrosion catastrophique des alliages à base de fer, de nickel ou de cobalt. Il se caractérise par une dégradation de ces matériaux en une fine poussière de particules métalliques et de carbone graphitique, appelée « coke », pouvant également contenir des carbures et des oxydes. Ce phénomène a lieu lorsque le mélange gazeux est sursaturé en carbone (ac>>1), à des températures comprises entre 400°C et 800°C. Cinq alliages commerciaux austénitiques (800HT, HR120, Inconel 625, Inconel 690 et Inconel 693) et deux matériaux modèles fabriqués par SPS (NiFeCr et NiFeCr+Cu) sont testés dans deux environnements de metal dusting à 570°C. Le premier test est effectué sous pression atmosphérique dans un mélange CO-H2-H2O, le second dans une atmosphère CO-H2-CO2-CH4-H2O sous 21 bars de pression. La première composition est ajustée pour obtenir une activité en carbone et une pression partielle en dioxygène proches de celles de l’environnement sous haute pression. Après plus de 14 000 h heures d’exposition, l’alliage 625 n’est pas dégradé. Il présente une précipitation d’aiguilles de γ’’-Ni3Nb, le niobium migrant vers la surface suite à l’appauvrissement en chrome par oxydation. Le matériau NiFeCr+Cu présente une évolution microstructurale proche, le cuivre formant une couche continue à l’interface métal/oxyde. Le cuivre étant non-catalytique pour la formation de carbone, sa ségrégation en surface améliore la résistance du matériau. L’alliage 690 présente une carburation homogène sur toute la surface qui n’évolue pas dans le temps. L’alliage 693 présente au contraire une carburation très importante, de plus en plus profonde avec la durée d’exposition. Celle-ci s’explique par la formation d’une couche continue d’alumine de transition, métastable. Sa transformation en alumine α, stable, s’accompagne d’une contraction de la maille, fissurant la couche d’oxyde. L’atmosphère accède alors directement à la surface métallique, carburant l’alliage. La bonne tenue de cet alliage, malgré la fissuration de l’oxyde, s’explique par sa forte teneur en chrome et par la faible cinétique de la transformation allotropique à 570°C. Les alliages 800HT, HR120 et NiFeCr sont corrodés par piqûration. Pour l’alliage 800HT, celle-ci est simulée en surface par un modèle de germination-croissance dépendant du temps d’incubation des piqûres, de leur croissance et de la densité de piqûres. La prise en compte du volume des piqûres pour reproduire les pertes de masses enregistrées est concluante sous haute pression mais pas à pression atmosphérique. Cela met en exergue l’influence de la géométrie de l’échantillon (les échantillons testés à pression atmosphériques étant très attaqués sur les bords), et donc l’intérêt d’étudier la piqûration. Sous pression atmosphérique, la croissance latérale des piqûres se fait par oxydation des carbures tandis que la croissance en profondeur se fait par un mécanisme de graphitisation accélérée, lorsque le flux de carbone est suffisamment grand devant le flux d’oxygène. La graphitisation accélérée n’a lieu qu’en fond de fissure du fait du faible renouvellement de l’atmosphère. Les fissures se forment lors du cyclage thermique effectué toutes les 500 h pour caractériser les échantillons. Cela conduit à un faciès de corrosion constitué d’une oxydation interne fine et discontinue exposant directement à l’atmosphère l’alliage carburé, qui est alors graphitisé. Il en résulte l’apparition d’une succession d’anneaux de corrosion, un sur deux croissant en profondeur. La morphologie issue du mécanisme de graphitisation favorisée est visible sur toute la circonférence des piqûres formées sous haute pression. Le même mécanisme a donc lieu, globalement cette fois, le flux de carbone étant suffisamment grand devant le flux d’oxygène dès l’introduction dans le banc de corrosion. Les morphologies observées sont donc liées aux conditions expérimentales (température, atmosphère, débit) et à la procédure de suivi (retraits). / “Metal dusting” is a catastrophic corrosion phenomenon of Fe-, Ni- and Co-based alloys. It is characterised by the degraded of these materials into a dust of fine metallic particles and graphitic carbon, named “coke”, which can also contain oxides and carbides, depending on the alloy. This phenomenon occurs when the gas mixture is oversaturated in carbon (ac>>1), for temperatures between 400°C and 800°C. Five commercial austenitic alloys (800HT, HR120, Inconel 625, Inconel 690 and Inconel 693) and two model alloys fabricated by SPS (NiFeCr et NiFeCr+Cu) are tested under two metal dusting environments at 570°C. The first test is carried out under atmospheric pressure in a CO-H2-H2O gas mixture, while the second is performed at 21 bar in a CO-H2-CO2-CH4-H2O atmosphere. The first environment is adjusted to obtain a carbon activity and a dioxygen partial pressure similar to the ones of the second environment. After 14 000 h of exposure, 625 alloy is not degraded. Chromium depletion stemmed from oxide scale formation induces niobium diffusion to the surface and precipitation of needle-like γ’’-Ni3Nb precipitates below the alloy surface. NiFeCr+Cu alloy presents a close microstructural evolution, as copper forms a continuous scale at the metal/oxide interface. Its segregation induces an improved resistance of the material, copper being non-catalytic to carbon formation. 690 alloy presents an homogeneous carburation under its whole surface which does not deepen during further exposure. 693 alloy, however, presents an important carburisation, which increases with the exposure time. This can be explained by the formation of a continuous oxide scale composed of a metastable transient alumina. Allotropic transformation of this alumina in its stable form, α-alumina, induces lattice contraction. The oxide scale undergoes tensile stress, and cracks form. The atmosphere can then accede directly to the catalytic surface and carburise the material. Despite this, the macroscopically good behaviour of 693 alloy can be explained by its high chromium level and the low kinetics of the allotropic transformation at 570°C. 800HT, HR120 and NiFeCr alloys are degraded by pitting. Pitting on 800HT is modelled using a nucleation-growth model. It depends on pit incubation time, pit growth kinetics and pit density. Taking into account the volume of the pits to model the mass losses undergone by the alloys is concluding for the specimens tested under high pressure but not for those tested at atmospheric pressure. This shows the influence of the sample geometry (samples tested at atmospheric pressure are more attacked on the edges), hence the interest to study corrosion via pitting. For tests at atmospheric pressure, pit lateral growth occurs by oxidation of internal carbides while pit inward growth stems from an enhanced graphitisation mechanism, when the carbon flux is high enough compared to the oxygen flux. Enhanced graphitisation takes place at the bottom of cracks formed through the internal oxidation zone due to the sample cooling performed every 500h for characterisation. The atmosphere is hardly renewed at the bottom of the crack. It leads to a thin, discontinuous oxidation layer exposing directly to the atmosphere the carburised alloy, which is then graphitised. This results in a succession of corrosion rings, one from two being deep, due to the combination of cracking and enhanced graphitisation. The morphology observed under atmospheric pressure due to enhanced graphitisation is also visible under high pressure, but on the entire pit circumference. It reveals that the same mechanisms takes place but on the entire pit, the carbon flux being high enough compared to the oxygen flux, right from its introduction in the corrosion rig. The two observed pit morphologies are then strongly linked to experimental conditions (temperature, gas mixture, gas flow) and the experimental procedure (thermal cycling induced by regular withdrawals).

Une micro-structuration de surface peut améliorer les propriétés en frottement d’un contact lubrifié grâce à la génération de pression hydrodynamique. Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR MicroGaMe, dont l’objectif était de structurer la surface d’une garniture mécanique en acier inoxydable austénitique. Nous avons développé un procédé basé sur l’utilisation des traitements thermochimiques à basse température (nitruration et carburation) assisté par plasmas froids. L’étude des couches obtenues après traitements a permis d’améliorer la compréhension de leur nature et de leur formation et de mettre en évidence la présence de précipités nanométriques. Lors des traitements, une déformation dans la direction perpendiculaire à la surface (appelée « gonflement »), et qui est la conséquence de fortes contraintes internes, peut être utilisée de façon originale comme moteur de structuration. Afin d’obtenir un motif « positif », nous avons traité les échantillons à travers des plaques d’acier percées par laser. La réalisation d’un motif « négatif » (cavité) nécessitant l’utilisation d’un masque discontinu, nous avons testé plusieurs voies de dépôts. La forme et les dimensions spécifiques à la garniture mécanique ne pouvant être obtenu par cette approche, nous avons également développé un procédé de gravure ionique, qui a pu être appliqué avec succès aux pièces à taille réelle / Surface patterning can improve friction properties of a lubricated contact by the generation of hydrodynamic pressure. The objective of the ANR project MicroGaMe was to pattern the surface of a mechanical seal in austenitic stainless steel. We developed a process based on the use of low-temperature plasma-assisted thermochemical treatments (nitriding and carburizing). The study of the treated layers leads to a better understanding of its nature and of the formation mechanisms and also reveals the presence of nanoprecipitates. During the treatments, a deformation occurs in a direction perpendicular to the surface (called “swelling”) as a consequence of high internal stresses, which can be used as an original patterning driving force. To obtain a “positive” pattern, we treated samples through laser-cut steel plates. A “negative” motif (cavitie) requires the use of a discontinuous mask so we tested different deposition techniques. As the specific shape and dimensions needed for the application to a mechanical seal cannot be obtained with this approach, we also develop an ion etching process, which has been successfully applied to real size piece

Les barres de commande du futur démonstrateur de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium (RNR – Na) nommé ASTRID sont constituées de pastilles de B4C enfermées dans une gaine en acier inoxydable AIM1 (15Cr-15Ni-0,4Ti). En service, les pastilles de B4C sont plongées dans le sodium liquide à une température allant de 500 à 600 °C. Les retours d’expérience des RNR - Na ont mis en évidence que la durée de vie des barres de commande était limitée par leur cinétique de carburation. Cependant, un phénomène de boruration des gaines a été observé lors d’essais réalisés « hors réacteur / hors irradiation ». Afin de maîtriser la durabilité des barres de commandes, il est donc nécessaire d’évaluer précisément la nature de l’interaction entre les gaines en acier et le B4C dans le sodium liquide. Ainsi, deux campagnes d’essai ont été menées : 1. Trois aciers inoxydables (AIM1, 316L et EM10) ont été exposés dans du sodium liquide fortement carburant (ac > 1) à 500, 600 et 650 °C. 2. Les mêmes nuances d’aciers ont été exposées dans du sodium liquide contenant de la poudre de B4C en excès à 500 et 600 °C. La première campagne a été réalisée pour avoir une meilleure compréhension des mécanismes et des cinétiques de carburation des barres de commande. Tout d’abord, l’état de carburation a été caractérisé finement au moyen de différentes techniques d’analyse (microsonde de Castaing, diffraction des rayons X du rayonnement synchrotron, microscopie électronique en transmission). Ensuite, la cinétique de carburation a été simulée à l’aide d’un modèle analytique simplifié de la carburation puis grâce à un outil commercial plus complet de simulation numérique de la diffusion à l’équilibre thermodynamique (DICTRA). Des écarts ont été observés entre les simulations des états de carburation réalisées avec DICTRA et les mesures expérimentales (profil de concentration en carbone et population de carbures). Afin de prédire au mieux l’état de carburation des aciers rencontré à 500 et 600 °C, il a notamment été démontré qu’il est probablement nécessaire de prendre en compte la diffusion du carbone dans les joints de grains et un écart à l’équilibre thermodynamique entre le carbone piégé dans les carbures et le carbone dissout dans la matrice. La deuxième campagne expérimentale a concerné l’étude du système : acier – B4C – Na. Des caractérisations couplées à des études thermodynamique et cinétique ont permis de proposer un mécanisme de carburation et de boruration des aciers. Après la dissolution du B4C dans le sodium, deux phénomènes ont été observés. Le bore réagit avec les aciers pour former une couche duplexe de borures à la surface (MB, M2B) et des borures dans les joints de grains du substrat. La cinétique de formation de la couche de borures dans les aciers suit une loi parabolique. Le carbone entraine une légère carburation des aciers plus en profondeur et le degré de carburation des aciers s’est avéré constant entre 250 et 3000 h d’exposition, ce qui suggère que le phénomène de carburation s’opère probablement avant la formation d’une couche continue de borures. / Pellets of boron carbide, B4C, enclosed in AIM1 (15Cr-15Ni-0.4Ti) stainless steel tubes are constitutive materials of the control rods in the future French Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration (ASTRID). During reactor operation, the B4C pellets are immersed in liquid sodium in the temperature range 773-873 K. Based on the feedback from operation of former Sodium Fast Reactors (SFR), the lifetime of the control rods has been shown to be limited by their carburization kinetics. Although, boriding of the steels was observed in out-ofpile studies. In order to increase the lifetime prediction of the aforementioned components in service, detailed information on the chemical interaction between the steel and B4C in liquid sodium is required. As a result, two sets of out-of-pile experiments were conducted: 1. Three stainless steels (AIM1, 316L, EM10) were exposed to highly carburizing sodium (ac > 1) at 773, 873 and 923 K. 2. The same grades were exposed to high purity B4C powder in liquid sodium at 773 and 873 K. The first campaign was performed in order to have a better understanding of the carburization phenomenology and kinetics of the control rods. The extent of carburization was evaluated. A good description of the carburization kinetics was obtained by means of two models and a simulation tool (DICTRA). The limits of the simulation tools were exposed. It was shown that the grain boundary diffusion of carbon had to be taken into account. The second set of experiments was carried out in order to study the system: steel – B4C – Na. A thorough examination of the nature of the chemical interaction was performed. The characterizations were combined with a thermodynamic and kinetic study to propose a carburization and boriding mechanism. The B4C powder dissolved in liquid sodium and reacted with the steels to form a boride layer (MB and M2B) at the surface, borides in the grain boundaries and a carburized zone underneath. The growth kinetics of the boron affected zone was shown to be parabolic. The carburization depth did not evolve between 250 and 3000 h and suggested that this phenomenon occurred during a transient stage.

Différents aspects des traitements thermochimiques (nitruration, carburation et nitrocarburation) de l’acier inoxydable austénitique AISI 316 L menés à basse température ont été abordés. Dans le premier chapitre, un état de l’art de ces traitements thermochimiques, ainsi que des techniques mises en œuvre pour les réaliser ont été présentés. Les traitements de nitruration et de carburation, réalisés dans un réacteur de plasma micro-ondes, dans la configuration Matrice à Résonance Cyclotronique Électronique Distribuée, ont été étudiés dans le chapitre 3. L’analyse des couches traitées a été effectuée par différentes technique expérimentales : microscope optique, profilométrie, diffraction des rayons X, spectrométrie de masse des neutres secondaires, spectrométrie de masse d’ions secondaires et spectroscopie à décharge luminescente. Dans le quatrième chapitre, le traitement de nitrocarburation a été étudié et comparé à des traitements séquencés carburation / nitruration et nitruration / carburation. Une corrélation très forte a été effectuée entre la concentration moyenne en éléments interstitiels et la contrainte résiduelle de compression moyenne dans les couches traitées. Le dernier chapitre traite de la texturation ou structuration de surface à l’échelle micrométrique ou nanométrique. Pour réaliser cette structuration de surface, les propriétés de déformation de l’austénite expansée, formée lors d’un traitement de nitruration à basse température, sont exploitées pour construire un réseau bidimensionnel de plots, à l’aide de grilles ou des tissus métalliques jouant le rôle de masques pour transférer un motif sur une pièce en acier inoxydable austénitique / Different aspects of thermochemical treatments (nitriding, carburizing and nitrocarburizing) of austenitic stainless steel AISI 316 L conducted at low temperature were discussed. In the first chapter, a state of the art of these thermochemical treatments, as well as techniques used to achieve them have been presented. The nitriding and carburizing treatments, performed in a plasma reactor assisted by microwave in the Matrix Distributed Electron Cyclotron Resonance configuration, were studied in chapter 3. Analysis of the treated layers was performed by different experimental techniques: optical microscopy, profilometry, X-ray diffraction, Secondary Neutral Mass Spectroscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry and glow discharge spectroscopy. In the fourth chapter, the nitrocarburizing treatment was studied and compared to sequenced carburization / nitriding and nitriding / carburizing treatments. A strong correlation was made between the average concentration of interstitial elements and the average compressive residual stress in the treated layers. The final chapter deals with the surface texturation or patterning to the nanometer or micrometer scale. To achieve this patterning, the deformation properties of the expanded austenite, formed during a nitriding treatment at low temperature, are used to construct a two dimensional array of dots, using grids or metallic tissues playing the role of masks to transfer a pattern on a piece of austenitic stainless steel

L’allègement des structures pour l’aéronautique pose, entre autres, la problématique del’usinage des matériaux composites et multi-matériaux. Le challenge réside dans la conceptiond’outils répondant aux conditions spécifiques d’usinage de ces matériaux et à leur extrêmeabrasivité. Une solution est de faire appel aux performances du diamant comme revêtementrésistant à l’usure. Dans le cadre de ce manuscrit, nous proposons d’étudier les cinétiques deformation du diamant microcristallin, sur des couches minces de nitrure de tantale (TaN). Cenitrure cristallise sous deux structures distinctes : une phase stable, hexagonale, h-TaN, et unephase métastable, cubique faces centrées, fcc-TaN. Des paramètres d’élaborationméticuleusement optimisés ont rendu possible la synthèse de ces deux structures sous forme decouches minces monophasées et la proposition de mécanismes de stabilisation. Leur potentiel entant que couche de germination du diamant a été évalué et quantifié grâce à une méthodologieoriginale, alliant expériences et modélisation. La contribution de la modélisation a permis nonseulement d’interpréter précisément les résultats obtenus expérimentalement, mais aussid’identifier les grandeurs influentes. Les coefficients de diffusion du carbone et flux de carbonetransférés dans h-TaN et fcc-TaN ont ainsi été déterminés. Les résultats obtenus, en termesd’interactions entre le TaN et le carbone, au cours du procédé d’élaboration du diamant, ouvrentdes perspectives intéressantes en termes de contrôle de la formation du diamant par CVD. / Weight reduction of aeronautic devices raises composite and multi-materialsmachining issues. The challenge lies in designing cutting tools able to resist to the specificmachining conditions of these materials and their abrasivity. One solution is to use diamond as awear resistant coating. In this work, we propose to study the kinetic of formation ofmicrocrystalline diamond onto a tantalum nitride (TaN) thin film. TaN exhibits two crystallographicstructures: the hexagonal stable one, h-TaN, and the metastable one with a face centered cubiclattice, fcc-TaN. An accurate control of deposition conditions allows us to isolate both structuresas single-phased thin films and to propose two stabilization mechanism scenarios. The influenceof each TaN structure on diamond formation has been gauged thanks to the inventivemethodology we developed and which combines experiments and modeling. The contribution ofmodeling relies on an accurate interpretation of the experimental results and the identification ofthe key parameters. Thus, carbon diffusion coefficients and carbon transfers into h-TaN and fcc-TaN phases could be determined. Our results, in terms of TaN/carbon interactions, open up newhorizons for diamond nucleation and growth in CVD conditions.

Le carbure de silicium est pressenti comme un matériau prometteur dans plusieurs domaines de l’électroniquetels que la nano-électronique, l’électronique de puissance ou les capteurs travaillant en milieuxhostiles (hautes températures, milieux corrosifs, milieux biologiques) du fait de ses propriétés physicochimiquessupérieures à celles du silicium, notamment. Cependant, parmi les différentes méthodesd’élaboration par voie descendante ou ascendante permettant de fabriquer des nano-objets à 1D enSiC, aucune n’a pour l’instant permis d’obtenir du SiC d’excellente qualité cristalline.Le travail de cette thèse a porté sur la démonstration de l’élaboration de nanostructures 1D àbase de SiC, à savoir nanofils coeur-coquille Si-SiC, nanofils de SiC et nanotubes de SiC, par unprocédé original de carburation de nanofils de silicium, eux-mêmes élaborés par gravure plasma. Cettedémonstration a été possible grâce au contrôle de la pression de carburation, ce qui permet la maîtrisede l’exodiffusion des atomes de silicium à travers le carbure de silicium.À pression atmosphérique l’exodiffusion des atomes de silicium est restreinte ce qui permet d’élaborerdes nanofils coeur-coquille Si-SiC avec une coquille de SiC monocristalline et entièrement recouvrante.En se servant de la biocompatibilité du SiC et du bon contrôle électronique dans le silicium, ilest possible d’envisager l’utilisation de ces nanofils coeur-coquille Si-SiC pour des bio-nano-capteurs.En diminuant la pression au cours de la carburation, il est possible d’augmenter l’exodiffusion etainsi d’obtenir des nanotubes de SiC cubique de très bonne qualité cristalline avec des parois denses.Ces nanotubes de SiC sont largement modulables en termes de dimensions, et la faisabilité de leurouverture a été démontrée, permettant ainsi l’utilisation du fort rapport surface sur volume de telsnano-objets pour des capteurs électroniques notamment.Un premier pas a été franchi vers les applications des nanofils coeur-coquille Si-SiC et des nanotubesde SiC, puisque les mesures électriques réalisées sur des nano-transistors à effet de champ utilisant cesdeux types de nano-objets comme canal sont prometteurs. / Due to their superior physical and chemical properties —such as high breakdown field, high thermalconductivity and biocompatibility— compared to other semiconductors, silicon carbide is forseento be a promising materials for power electronics, bio-nano-sensors and nano-electronics in harsh environments.However, among the numerous top-down or bottom-up methods used to synthesise siliconcarbide 1D nano-objects, none has been able yet to produce SiC with a high cristalline quality.The aim of this project is to demonstrate the synthesis of silicon carbide- based 1D nanostructures—e.g. core-shell Si-SiC nanowires, SiC nanowires and SiC nanotubes— through an original processbased on the carburization of plasma-etched silicon nanowires. This demonstration is based on thecontrol of the pressure during the carburization process, which leads to the monitoring of the outdiffusionof silicon atoms through silicon carbide.Thus if the pressure is kept at the atmospheric pressure, the out-diffusion of silicon is limited andSi-SiC core-shell nanowires can be synthesized with a single-crystalline cubic SiC shell. Thanks to thebiocompatibility of the SiC shell and the good electronic transport into the Si core, bio-nano-sensorscan be considered.If the pressure is decreased during the carburization process, the outdiffusion of silicon atomsthrough SiC is enhanced, and leads to SiC nanotubes synthesis. SiC nanotubes sidewalls are dense,with an excellent crystalline quality. These original SiC nanotubes have a high surface to volume ratioand thus can be used for sensors or storage devices.The first step for direct applications has also been demonstrated since first results on electricalperformances of nano-field effect transistors, with these nano-objects as channel, are promising.