La fragilisation par l’hydrogène est une des causes les plus évoquées lors de la rupture prématurée des pièces métalliques. Il est donc nécessaire de clarifier l’effet de ce soluté sur les propriétés mécaniques et les mécanismes de plasticité dans ces matériaux. L’étude proposée de cette thèse consiste à étudier l’effet de l’hydrogène sur la réponse mécanique du nickel monocristallin déformé par la fatigue de l’échelle macroscopique jusqu’à l’échelle atomique. A l’échelle macroscopique, des essais de fatigue ont été réalisés sur du nickel orienté en glissement multiple avec plusieurs teneurs en hydrogène pour évaluer ses conséquences sur l’écrouissage cyclique du métal. Ensuite, une caractérisation microstructurale des hétérogénéités développées par la fatigue a été conduite pour plusieurs amplitudes de déformation plastique sur le nickel avec et sans hydrogène. La déformation du métal induit une organisation de la microstructure sous forme de chenaux et de murs qui dépend en partie des interactions élastiques entre l’état de contrainte, l’hydrogène et les défauts cristallins. Par conséquent, l’impact de l’hydrogène sur les propriétés élastiques du métal a été étudié à l’aide de calculs à l’échelle atomique et complété par des expériences. D’autres calculs à cette échelle, associés à des modèles analytiques basés sur la théorie élastique des dislocations, ont été réalisés pour évaluer la stabilité des structures de dislocations induites par la fatigue en présence d’hydrogène, de lacunes et d’amas de lacunes. Les principales conclusions de cette étude proviennent d’une analyse multi-échelle des résultats obtenus par la combinaison d’approches numériques et expérimentales. Nous suggérons que l’incorporation de l’hydrogène induit un durcissement intrinsèque du nickel. Cependant, la formation de lacunes et d’amas de lacunes atténue l’effet du soluté et participe à la compétition entre adoucissement et durcissement du nickel à l’échelle macroscopique. / Hydrogen in metals can lead to irreversible damages on engineering structures. Consequently, the effects of the solute on the mechanical properties and the plasticity mechanisms of these materials have to be clarified. The proposed study consists to investigate the effects of hydrogen on the mechanical response of nickel single crystal strained by fatigue from macroscopic scale down to the atomic scale. At macroscopic scale, cyclic tests are conducted on multi-slip oriented nickel with several hydrogen concentrations to evaluate its consequences on the cyclic hardening of the metal. Then, a microstructural characterisation of the heterogeneities developed by fatigue is conducted for several plastic deformation amplitudes on nickel with and without hydrogen. The deformation of the metal induces a microstructure in form of wall and channel phases, which partially depend on the elastic interactions between the stress state, hydrogen and the induced crystalline defects. Therefore, the impact of hydrogen of the elastic properties of nickel single crystal is investigated using atomic scale calculations and experiments. Further calculations at this length scale associated with analytical elastic models are conducted to evaluate the stability of fatigue induced dislocation structures in presence of the solute, vacancies and vacancy clusters. The main conclusions of this study arise from the analysis of the results obtained from macroscopic scale down to the atomic scale and from the combination of both numerical and experimental techniques. In particular, the incorporation of hydrogen leads to a hardening of the nickel intrinsically. However, the formation of vacancies and vacancy clusters by the incorporation of hydrogen counteracts the effects of the solute and participates in the competition between the softening and the hardening of cyclically strained nickel single crystal observed at macroscopic scale.

This thesis is devoted to the mathematical analysis of models describing the energy of defects in crystalline solids via variational methods. The first part of this work studies a discrete model describing the energy of a point defect in a one dimensional chain of atoms. We derive an expansion of the ground state energy using Gamma-convergence, following previous work on similar models [BDMG99,BC07,SSZ11]. The main novelty here is an explicit characterisation of the first order limit as the solution of a variational problem in an infinite lattice. Analysing this variational problem, we prove a regularity result for the perturbation caused by the defect, and demonstrate the order of the next term in the expansion. The second main topic is a discrete model describing screw dislocations in body centred cubic crystals. We formulate an anti plane lattice model which describes the energy difference between deformations and, using the framework defined in [AO05], provide a kinematic description of the Burgers vector, which is a key geometric quantity used to describe dislocations. Apart from the anti plane restriction, this model is invariant under all the natural symmetries of the lattice and in particular allows for the creation and annihilation of dislocations. The energy difference formulation enables us to provide a clear definition of what it means to be a stable deformation. The main results of the analysis of this model are then first, a proof that deformations with unit net Burgers vector exist as globally stable states in an infinite body, and second, that deformations containing multiple screw dislocations exist as locally stable states in both infinite bodies and finite convex bodies. To prove the former result, we establish coercivity with respect to the elastic strain, and exploit a concentration compactness principle. In the latter case, we use a form of the inverse function theorem, proving careful estimates on the residual and stability of an ansatz which combines continuum linear elasticity theory with an atomistic core correction.

L'intégration monolithique des semi-conducteurs III-V sur silicium est une voix prometteuse pour la fabrication de composants électroniques et photoniques. Cependant, cette croissance s'accompagne de la génération d'une forte densité de défauts cristallins (dislocations résiduelles, macles et parois d'inversion). Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié les propriétés structurales, par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission, d'hétérostructures à base de GaSb et de GaP épitaxiées sur silicium (001). Vu le fort désaccord paramétrique entre le GaSb et le Si (12.2%), la croissance s'accompagne de la génération d'une très forte densité de dislocations résiduelles. D'autres défauts sont présents dans la croissance de GaSb sur Si comme les macles. Ces défauts dépendent de la qualité cristalline du surface du substrat . La préparation de surface du substrat permet de diminuer la rugosité et de supprimer les contaminants présents. Dans ce contexte, nous avons mis au point un protocole de préparation adapté permettant de réduire la densité de macles générées à l'interface GaSb sur Si. Nous avons aussi réussi à réduire la densité de défauts en utilisant un super-réseau capable de filtrer les dislocations mais également d'aider à la fermeture des domaines d'inversion. L'efficacité du super-réseau dépend beaucoup de sa nature (nombre de périodes, épaisseur et contrainte des couches constituant le super-réseau) ainsi que sa position dans la structure. Nous avons aussi développer un modèle géométrique de recombinaison des dislocations. Ce modèle, nous a permis de mettre en évidence les interactions globales entre dislocations et de donner des paramètres d'interaction entre dislocations. Pour la croissance de GaP sur Si, le très faible désaccord paramétrique (0.37%) permet d'éviter le problème de relaxation plastique des structures à base de GaP. Les défauts essentiellement présents sont les domaines et les parois d'inversion. Nous avons montré que le taux de couverture initial en gallium sur le substrat en tout début de croissance a un effet prépondérant sur la présence de micro-macles mais également sur la taille et la densité des domaines d'inversion. D'autres paramètres de croissance sont également étudiés, comme la température, la vicinalité du substrat et l'utilisation de fines couches contraintes pour limiter le développement des domaines d'inversion. Nous avons observé que pour ces deux types d'hétérostructure (GaP/Si mais aussi GaSb/Si), la suppression de domaines d'inversion permet de réduire la rugosité. En troisième partie, nous avons étudié l'effet d'incorporation de l'azote sur le contraste des images STEM-HAADF des couches de GaPN. Contrairement à ce qui est attendu, les couches GaPN apparaissent toujours plus claires que le substrat de GaP, quelque soit la concentration en azote. Nous avons montré que le rapport des intensités HAADF des couches GaPN et GaP dépend de deux paramètres : la déformation effective de la maille de GaPN (par rapport à celle de GaP) et la présence des défauts ponctuels liés à l'incorporation d’azote. Une hypothèse avancée serait la présence de gallium en site substitutionnel du phosphore, voire en site interstitiel. / Monolithique integration of III-V compound semiconductors on silicon makes possible the large scale integration of compound semiconductors for optical and electronic devices. However, the growth of III-V semiconductors on silicon generate several defects (threading dislocations, twins and antiphase boundaries). In this PhD thesis, we studied structural properties of GaSb-based and GaP-based hetero-structures grown on silicon using X-Ray diffraction and Transmission Electon Microscopy. Threading dislocations are the major defects in the growth of GaSb on Si because of the high lattice mismatch between the two materials(12.2%). Other defects like twins are presents on the growth of GaSb on Si. Twins are related to the crystalline quality of surface substrate (contaminants and roughness). We developed a cleaning process of surfaces which shows a high efficiency on twins density reduction. We reduced the high defects density using super-lattices . The super-lattices act not only as a dislocations filter but also help antiphase domains closure. The efficiency of super-lattices depends on its nature (thickness and strain) and its position on the structure. With our dislocations geometrical recombination model, we bring out the global interaction between dislocations and we define essential interaction parameters between dislocations. For the growth of GaP on Si, We have shown that the initial coverage of gallium on the substrate in the early stages of growth has a major effect on the presence of micro-twins, but also on the size and density of the antiphase domains. Due to the small lattice mismatch between GaP and Si (0.37%), antiphase boundaries and domains are the major defects on the GaP-based heterostructures. Antiphase domains can be blocked near the interface using specific growth conditions (substrate miscut, growth temperature, strained thin films). We showed with the two heterostructures (GaP-based and GaSb-based) that the suppression of antiphase boundaries decreases semiconductors roughness. We studied the influence of Nitride incorporation on the STEM-HAADF contrast of GaPN films. This inversed contrast (GaPN layers are more brilliant than GaP ) depend on two parameters: the deformation state of GaPN lattice compared to GaP one and the punctual defects related to the Nitride incorporation. Those defects can be Interstitial or anti-site Ga atoms.

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