The goal of this research work is to further the understanding of crystal plasticity, particularly at reduced structural and material length scales. Fundamental understanding of plasticity is central to various challenges facing design and manufacturing of materials for structural and electronic device applications. The development of microstructurally tailored advanced metallic materials with enhanced mechanical properties that can withstand extremes in stress, strain, and temperature, will aid in increasing the efficiency of power generating systems by allowing them to work at higher temperatures and pressures. High specific strength materials can lead to low fuel consumption in transport vehicles. Experiments have shown that enhanced mechanical properties can be obtained in materials by constraining their size, microstructure (e.g. grain size), or both for various applications. For the successful design of these materials, it is necessary to have a thorough understanding of the influence of different length scales and evolving microstructure on the overall behavior. In this study, distinction is made between the effect of structural and material length scale on the mechanical behavior of materials. A length scale associated with an underlying physical mechanism influencing the mechanical behavior can overlap with either structural length scales or material length scales. If it overlaps with structural length scales, then the material is said to be dimensionally constrained. On the other hand, if it overlaps with material length scales, for example grain size, then the material is said to be microstructurally constrained. The objectives of this research work are: (1) to investigate scale and size effects due to dimensional constraints; (2) to investigate size effects due to microstructural constraints; and (3) to develop a size dependent hardening model through coarse graining of dislocation dynamics. A discrete dislocation dynamics (DDD) framework where the scale of analysis is intermediate between a fully discretized (e.g. atomistic) and fully continuum is used for this study. This mesoscale tool allows to address all the stated objectives of this study within a single framework. Within this framework, the effect of structural and the material length scales are naturally accounted for in the simulations and need not be specified in an ad hoc manner, as in some continuum models. It holds the promise of connecting the evolution of the defect microstructure to the effective response of the crystal. Further, it provides useful information to develop physically motivated continuum models to model size effects in materials. The contributions of this study are: (a) provides a new interpretation of mechanical size effect due to only dimensional constraint using DDD; (b) a development of an experimentally validated DDD simulation methodology to model Cu micropillars; (c) a coarse graining technique using DDD to develop a phenomenological model to capture size effect on strain hardening; and (d) a development of a DDD framework for polycrystals to investigate grain size effect on yield strength and strain hardening.

Polycrystal models, beginning with the work of Sachs (1928) and Taylor (1938), have been used to predict very complex material behavior. The basis of these models is single crystal plasticity theory, which is then extended to model an actual (polycrystalline) material composed of a large number of single crystals or grains. Crystal plasticity models are formulated at the scale of the individual grain, which is viewed as a fundamental material element. To first order this is a reasonable approximation, and results in qualitatively good predictions. However, it is also well known that the grain is not a uniform entity, and that a great deal of non-uniform activity, including the development of well-defined dislocation structures, occurs within individual grains. The goals of this research are to complete an experimental data set for validation of material modeling, and to then improve the physical basis of predictive polycrystal plasticity models. Preferred orientations (textures) of oxygen free high conductivity (OFHC) copper were measured using reflection x-ray diffraction techniques. Monotonic strain paths included a variety of strain levels for both compression and torsion. One of the significant contributions of this research was the measurement of textures resulting from non-monotonic deformation histories, specifically compressive prestrain (to two different levels) followed by torsion to an effective plastic strain of 1.00. We also concluded synchrotron radiation experiments to map Laue images to examine subgrain microtexture formation at various stages of finite deformation. The second major contribution is to polycrystal plasticity modeling. Improvements to the plasticity model were achieved by including the effects of gradually developing, sub-grain scale microstructures, without explicitly modeling the structures, in terms of both crystallographic texture formation and work hardening. The effects of these microstructures were incorporated through the use of new internal state variables. They result in a broadening of the peaks of the macroscopic texture and a reduction of the rate of texture formation. Predictions of crystallographic orientation distributions were verified by plotting stereographs, which were shown to match measured crystallographic textures. The microstructural hardening law was introduced through a new form of latent hardening, which was shown to match experimental stress-strain behavior more closely than the basic model of Pierce, Asaro, and Needleman (1982). This latent hardening form augmented a Taylor-type term, which reflected statistically stored dislocations in the slip system hardness. Significantly, this improvement was also noted in the case of non-monotonic loading, which the standard model could not predict even to first order. Also, in the course of this research a planar double slip model was used as a precursor to the full three-dimensional modeling. The objective was to use the planar model to test various formulations, at least qualitatively, since it is a simpler model. As a result of comparisons between the three-dimensional simulations and the planar ones, the planar model was shown to be an insufficient tool for developing new texture and hardening evolution schemes as compared to the three-dimensional models. The planar model was unsuitable for modeling any but the most basic crystal plasticity relations and most simple deformation paths in a qualitative manner.

The construction of mesoscopic (micrometer scale) constitutive laws in materialsscience is studied for a long time. However, the constant progress in high performance computing changes the perspectives. Indeed, constitutive laws now aim at explicitly take into account the microstructure and its underlying physics at the atomic scale, for which simulation techniques prove to be very accurate but definitely expensive. The multiscale approach is therefore perfectly adapted to such a challenge and the dialogue between scales necessary. In this thesis, the mechanical behavior of the energetic material TATB in temperature and pressure is investigated using molecular dynamics simulations in order to understand the microscopic deformation mechanisms responsible for plastic activity. The local computation of mechanical variables was developed in atomistic simulations, allowing the dialogue with continuum mechanical methods. Additionally, prescribed deformation paths were coupled with molecular dynamics, allowing to reveal the plasticity mechanism of TATB single crystal. Nucleation of complex dislocation structures with intrinsic dilatancy, twinning transition pathway and a twinning-buckling pseudo phase transition are three distinct behaviors triggered for different loading directions. Then, mesoscopic simulations inferred by atomic scale observations aim at reproducing the twinning-buckling pseudo-phase transition under tri-axial compression using a Lagrangian code. The comparison between both simulation techniques is made possible thanks to the mechanical tools that have been implemented in themolecular dynamics code. Finally, polycrystalline TATB is simulated with non linear elasticity and we demonstrate the necessity to consider an equation of state compatible with this pseudo phase transition, which has a strong influence on the polycristal behavior. / La conception de lois de comportement en science des matériaux n’est pas nouvelle. Cependant, le progrès constant en calcul haute performance change la donne. En effet, ces lois visent désormais à tenir compte de la microstructure et de la physique sous-jacente, à l’échelle atomique, pour laquelle les techniques de simulation sont précises mais très coûteuses. L’approche multiéchelles semble parfaitement adaptée à ces problématiques et le dialogue entre échelles nécessaire. Dans cette thèse, le comportement mécanique du matériau énergétique TATB en température et en pression est étudié via des simulations de dynamique moléculaire afin de caractériser les mécanismes microscopiques responsable de son comportement irréversible. Le calcul local de variables mécaniques a été développé dans des simulations atomistiques, permettant le dialogue avec les méthodes continues. De plus, une méthode d’application de chemins de déformation a été couplée avec la dynamique moléculaire, menant à la caractérisation de la réponse mécanique très anisotrope du monocristal de TATB. Nucléation de dislocations au cœur complexe, chemin de transition pour le maclage et pseudo-transition de phase de type maclage-flambage sont trois comportements distincts associés à trois types de sollicitation dans différentes directions. Des simulations à l’échelle mésoscopique, alimentées par les données calculées à l’échelle microscopique, sont ensuite effectuées et visent à reproduire la pseudo-transition de phase sous compression triaxiale dans un code Lagrangien. La comparaison des résultats aux deux échelles est rendue possible par les outils de mécanique des milieux continus implémentés dans le code de dynamique moléculaire. Finalement, un polycristal de TATB est simulé en élasticité non linéaire et nous montrons l’importance de considérer une équation d’état compatible avec cette pseudo-transition de phase, qui semble avoir une forte influence sur le comportement du polycristal.

Ce travail est consacré à l'hétéroépitaxie de GaN sur substrat Si, étudié à l’échelle nanométrique par microscopie électronique en transmission. On étudie dans un premier temps la croissance de la couche de nucléation d’AlN, en analysant la structure de son interface avec Si, et les premières étapes de croissance. Ceci est effectué en comparant les procédés MBE et MOCVD, pour lesquels des différences sont observées, comme la formation d’une couche amorphe interfaciale pour la MOCVD à haute température. Ensuite, la nanodiffraction par précession (N-PED) permet de déterminer la distribution de la déformation sur l’ensemble de l’hétérostructure. Avec l’aide de l’imagerie par microscopie TEM conventionnelle, on corrèle ainsi le comportement des dislocations traversantes (boucles et dislocations inclinées) à la relaxation des couches de GaN. Une croissance hybride basée sur une combinaison de couches MBE et MOCVD se révèle efficace quant à la réduction de la densité de dislocations, et est à priori intéressante pour des applications type LED. L’utilisation de la cathodoluminescence permet de mettre en évidence la présence d’impuretés et leurs effets au cours des différentes étapes de l’épitaxie. Finalement, nous explorons la possibilité d’utiliser une couche de Si fine sur isolant (SOI) comme substrat de type compliant pour la croissance des couches de GaN. Cette dernière étude est menée principalement pour des couches MBE, et demande à être étendue à des structures MOCVD, pour lesquelles les effets de compliances observés seront potentiellement plus importants. / This work is dedicated to GaN on Si heteroepitaxy, at nanometer scale by transmission electron microscopy. First we study the AlN buffer layer growth, by analysing its interface structure with Si substrate, and the first growth stages. This is done by comparing MBE and MOCVD growth processes, for which differences are observed, as the formation of amorphous inter-layer for high temperature MOCVD. Then nanodiffraction with precession (N-PED) allows us to determine strain distribution among the entire heterostructure. With the help of conventional TEM imaging, we correlate threading dislocation behaviour (loop and inclined dislocations) to the strain relaxation in GaN. Hybrid growth based on a combination of MBE and MOCVD layers appears to be quite efficient concerning the reduction of dislocation density, and thus interesting for LED applications. Cathodoluminescence highlights presence of impurities and their effect for each epitaxy stages. Finally we explore the possibility to grow GaN epilayers on a thin Si layer on insulator (SOI), as a compliant substrate. This last study is mainly conducted for MBE layers, and requires to be extended to MOCVD structures, for which observed compliant effects may potentially be more important.

Le silicium est reconnu comme étant un mauvais émetteur de lumière à cause de son gap indirect. Diverses stratégies ont été développées pour améliorer son rendement d'émission, le Si constituant le matériau de choix pour la photonique. Ce manuscrit présente l'élaboration et la caractérisation de matériaux originaux à base de silicium afin de proposer des solutions alternatives pour améliorer les propriétés d'émission de lumière du Si. Ce travail est divisé en 4 parties avec tout d'abord une revue de l'état de l'art de l'émission de lumière dans le Si et les bases sur les mécanismes de recombinaison dans le Si. Une seconde partie se concentre sur l'élaboration et l'étude de dispositifs électroluminescents à base de Si comportant un réseau de dislocations enterrées un niveau d'une jonction PN obtenu par collage moléculaire. L'émission de lumière située vers 1,1 et 1,5 µm (1,1 et 0,8 eV) est attribuée à la recombinaison des porteurs sur les états piège induits par des précipités de bore et d'oxyde dans le voisinage de dislocations (E^phonon_Bore vers 1.1eV et Dp~0.8eV) et des états de défauts localisés à l'intersection du réseau carré de dislocations vis (D1~0.8eV). Une troisième partie traite de l'élaboration et des propriétés optique d'ions Er3 + couplés avec des nanostructures de Si dans des films minces de SRO (Silicon-Rich Oxide) obtenus par co-évaporation de SiO et d'Er. Dans cette matrice, l'efficacité d'excitation indirecte de l'Er à 1,5 µm via les nanostructures est démontrée par la mesure de sections efficaces effectives d'excitation de l'Er entre 2x10-16 cm2 et 5x10-15 cm2 en fonction du flux d'excitation et des paramètres d'élaboration. Le principal résultat est la forte diminution avec la température de recuit de la fraction d'ions Er3+ émetteurs susceptible d'être inversée. Des expériences EXAFS révèlent que ce comportement est en corrélation avec l'évolution de l'ordre chimique local autour des atomes d'Er. Dans une dernière partie est présentée l'élaboration de nanostructures de Si de type nanofils cœur-coquille Si/SiO2. Ces structures cœur-coquille sont obtenues par trois méthodes différentes. Les structures obtenues par dépôt d'oxyde sur la surface de nanofils de silicium CVD catalysées avec de l'Au présentent une émission autour de 500 nm efficace à température ambiante due à la recombinaison des porteurs photo-générés au niveau des états de défauts dans la couche d'oxyde et à l'interface Si/SiO2. L'intensité de PL collectée est de plus d'un ordre de grandeur supérieure à celle mesurée sur des films minces de SiO2 similaires déposés sur des substrats de Si. En outre, la passivation des nanofils de Si CVD par un procédé d'oxydation thermique permet de neutraliser les états de surface qui dominent dans de telles structures. La mesure des vitesses de recombinaison de surface semble indiquer que ces nanofils ainsi passivés présentent des propriétés électroniques de volume similaires à celles du Si standard de microélectronique. Enfin, une nouvelle méthode pour l'élaboration in situ de nanofils cœur-coquille Si/SiO2 basée sur l'évaporation d'une source solide SiO avec l'Au et le Cu comme catalyseurs est détaillée. La croissance des fils catalysés par l'Au se produit dans le mode de croissance VLS (Vapor-Liquid-Solid comme en CVD) donnnat des nanofils présentant un cœur de Si cristallin et une coquille amorphe d'oxyde. En revanche, la croissance des nanofils catalysée par le Cu semble se produire préférentiellement à plus basse température en mode VSS (Vapeur-Solide-Solide) expliquant pourquoi ces NFs présentent une forte densité de défauts cristallins dans la cœur de Si contrairement aux fils catalysés Au. / Silicon is known as a poor light emitter due to its indirect band gap. Various strategies have been developed to overcome its poor emission efficiency since it is the material of choice for photonics. In this manuscript are detailed the elaboration and characterization of original silicon-based materials in order to propose alternatives solutions to improve Si light emission properties. This work is divided in 4 parts with a first one describing the state of the art of light emission in Si and the basics of recombination mechanisms in Si. A second part focuses on the elaboration and study of electroluminescent devices based on bulk Si with a buried dislocation network at a PN junction obtained by wafer bonding. The light emission near 1.1 and 1.5 µm (1.1 and 0.8 eV) is attributed to the recombination of carriers on trap states induced by boron and oxide precipitates in the vicinity of dislocations (E^phonon_Bore near 1.1eV and Dp~0.8eV) and defects traps at the intersection of the square network of screw dislocations (D1~0.8eV). In a third part is showed the elaboration and the optical properties of Er3+ ions coupled with Si nanostructures in Si-Rich Silicon Oxide (SRO) thin films obtained by co-evaporation of SiO and Er. We demonstrate the efficient indirect excitation of Er at 1.5 µm with high effective cross sections between 2x10-16 cm2 and 5x10-15 cm2 as a function of the excitation flux and the elaboration parameters. The main result is the drastic decrease of the number of Er3+ emitting ions coupled to Si with the annealing temperature. EXAFS experiments revealed that this behavior is correlated with the evolution of the local chemical order around Er atoms. In a last part is presented the elaboration of Si nanostructures based on core-shell Si/SiO2 nanowires. These core-shell structures are obtained by three different methods. Core-shell nanowires obtained by oxide deposition on the surface of CVD Au-catalyzed Si nanowires exhibit an efficient room temperature emission around 500 nm due to the recombination of photo generated carriers in defects states in the oxide layer and at the Si/SiO2 interface. The collected PL intensity is more than one order of magnitude higher than similar SiO2 thin films deposited on Si substrates. Moreover, the passivation of CVD-growth Si nanowires by a thermal oxidation procedure allows neutralizing the surface states which are predominant in such structures. As a result, the measurement of surface recombination velocities seems to indicate that such passivated nanowires present similar volume electronic properties than standard microelectronic bulk Si. Finally, a new method for the elaboration of in situ core-shell Si/SiO2 nanowires based on the evaporation of a solid SiO source with Au and Cu as catalysts is presented. The Au-catalyzed growth occurs in the VLS mode (Vapor-Liquid-Solid like in CVD-growth) leading to the growth of nanowires with a crystalline Si core surrounded by an amorphous oxide shell. But Cu-catalyzed nanowires growth seems to appear preferentially at lower temperatures in the VSS (Vapour-Solid-Solid) mode explaining why these nanowiress exhibit a high density of crystalline defects in the Si core compared to Au-catalyzed wires.

L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement plastique du carbure de silicium dans le domaine fragile. A cette fin, des essais de déformation par micro et nanoindentation ont été réalisés sur des échantillons monocristallins de SiC (4H et 3C). Des couches homoépitaxiées de 4H-SiC de différents dopages électroniques ont été étudiées. Ces couches présentent des caractéristiques mécaniques différentes en fonction du dopage : le dopage de type p durcit le matériau par rapport au dopage de type n ou au matériau intrinsèque. De plus, l'analyse des courbes charge-enfoncement obtenue en nanoindentation montre que la nucléation des dislocations est plus difficile lorsque le matériau est dopé de type p par rapport au matériau dopé n ou intrinsèque. Ceci est confirmé par les microstructures de déformation observées en Microscopie Electronique en Transmission (MET). Les observations par MET montrent que les dislocations introduites à l'ambiante autour des empreintes sont parfaites et glissent dans les plans {0001} dans le 4H-SiC et dans les plans {111} dans le 3C-SiC. Elles sont orientées principalement le long de la direction vis. Les sites de nanoindentation à température ambiante des couches 4H homoepitaxiées ont été particulièrement étudiés. On met en évidence que les sites de nucléation des dislocations sont vraisemblablement situés dans les plans {1100}, les dislocations se développant par la suite dans le plan basal. La nature des cœurs des dislocations parfaites a été déterminée par la technique LACBED. Ces dislocations parfaites ont un cœur silicium en mode shuffle. Un changement de mécanisme de plasticité est observé par MET pour les échantillons indentés 800 / The aim of this thesis is to study the plastic behaviour of silicon carbide in the brittle domain. For this purpose micro and nanoindentation deformation tests were performed on single crystal specimens of SiC (4H and 3C). Homoepitaxial layers of 4H-SiC with different doping have been studied. These layers show different mechanical characteristics as a function of doping: p-type doping hardens the material as compared to n-type doping or intrinsic material. In addition, load-penetration depthcurves show that the nucleation of dislocations is more difficult in p-doped material as compared to intrinsic or n-doped material. This is confirmed by deformation microstructures observations using Transmission Electron Microscope (TEM). TEM observations show that dislocations introduced around the imprints at room temperature are perfect dislocations gliding in the {0001} plane in 4H-SiC and in the {111} plane in 3C-SiC. They are mostly screw oriented. Room temperature nanoidentation imprints of4H homoepitaxied layers have been extensively studied. It is evidenced that dislocation nucleation sites are likely to be located in {1100} planes and that dislocations bow out subsequently in the basal plane. The core nature of perfect dislocations has been determined using the LACBED technique. Those perfect dislocations have a silicon core in the shuffle mode. TEM observations on specimens indented at 800ºC indicate a change in plastic deformation mechanism. At this temperature, partial dislocations with large stacking faults are observed.

En 1962, Gerhard Richter peint Tisch. Dans ce tableau, une table représentée en perspective est biffée par une violente gestualité. L’espace pictural s’érige entre l’illusion de profondeur et l’affirmation matérielle de la toile et de la peinture. Impulsée par une pratique personnelle, mise en regard avec le travail actuel de jeunes artistes héritiers des altérations fécondes de Richter, tels que Adrian Ghenie, Duncan Wylie ou Stephen Bush, Les dislocations de l’espace pictural se penche sur les relations dynamiques qui animent une figuration en tension entre l’image et le pictural. Taches, semis et coulures déstabilisent les assises iconiques tout en créant des mondes ambigus. L’espace pictural oscille entre dextérité et lâcher-prise. L’inachèvement et les réserves exposent au regard les vacillements de ses strates constitutives. / Gerhard Richter painted Tisch in 1962. In this painting, a table, which is represented in perspective, has been erased with a violent gestural brushstroke. The pictorial space stands between the illusion of depth and the emphasized materiality of the canvas and the painting. The dislocations of the pictorial space, fostered by Richter’s personal practice and supplemented with the work of current young artists, heirs to his productive alterations, such as Adrian Ghenie, Duncan Wylie or Stephen Bush, these dislocations show the dynamic relationships which animate a figuration in tension with the picture and the painting. Stains, patterns, and streaks destabilize established iconic values while creating ambiguous worlds. The pictorial space oscillates between dexterity and letting go. The incompleteness and the reserves display the wavering of its constitutive layers.

La dynamique d'amas (DA) est une méthode de simulation en champ moyen permettant la prédiction de l'évolution des matériaux sous irradiation. Dans cette thèse, on s'intéresse aux forces de puits, qui sont les paramètres utilisés en DA pour représenter la capacité des puits (dislocations, cavités...) à absorber les défauts ponctuels (lacunes, interstitiels). Pour calculer les forces de puits, on réalise des simulations Monte Carlo cinétique sur objets (OKMC) dans lesquelles l'énergie des défauts ponctuels au point stable et au point col est décrite à l'aide de dipôles élastiques. Ces quantités sont préalablement calculées pour un cristal d'aluminium en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une première partie de ce travail vise à évaluer les forces des principaux puits présents dans les microstructures sous irradiation (cavité, dislocation droite et boucle de dislocation) dans des configurations simples. L'étude met en évidence l'importance des interactions élastiques, et permet d'identifier l'anisotropie des dipôles élastiques au point col comme un paramètre très important qui modifie à la fois les trajectoires des défauts ponctuels et les valeurs de forces de puits. On s'intéresse dans une deuxième partie à l'importance de la position relative des puits sur leur capacité à absorber les défauts ponctuels. Des microstructures contenant un grand nombre de boucles de dislocation sont générées par des simulations OKMC et l'absorption des défauts ponctuels par ces microstructures est mesurée. Il est montré que le voisinage d'un puits modifie sensiblement sa capacité à absorber les défauts ponctuels et ce comportement est rationalisé en utilisant le volume de Voronoï associé à chaque puits. Cette étude conduit à proposer une nouvelle expression de force de puits, ainsi qu'un nouveau formalisme de DA dans lequel les amas sont caractérisés par leur taille et par le volume de leur cellule de Voronoï. Il est montré que ce formalisme permet d'améliorer fortement la prédiction de l'évolution des distributions de tailles d’amas lors d'une irradiation. / Cluster Dynamics (CD) is a mean field simulation method which makes it possible to predict the materials evolution under irradiation. In this work, we focus on sink strengths, which are the parameters used in CD to represent the capacity of sinks (dislocations, cavities…) to absorb point defects (vacancies, self-interstitials). To calculate the sink strengths, object kinetic Monte Carlo (OKMC) simulations are performed. The energy of point defects at stable and saddle points is described through their elastic dipoles. These elements are computed in an aluminum crystal using density functional theory. In a first part, the sink strengths of the main objects found in irradiated microstructures (dislocations, cavities and dislocation loops) are calculated on simple configurations. This study reveals the importance of elastic interactions, and enables us to identify the saddle point anisotropy of point defects as an important parameter, as it modifies both the point defects trajectories and the sink strength values. Then, we focus on the role of the relative position of sinks in their capacity to absorb point defects. Microstructures containing a large number of dislocation loops are generated by OKMC simulations and the absorption of point defects by those microstructures is measured. It is shown that the neighborhood of a sink modifies noticeably its capacity to absorb the point defects and this behavior is rationalized through the Voronoi volume associated with each sink. This study leads to the proposal of a new sink strength expression, and of a new formalism for CD in which clusters are described by their size and their Voronoi volume. The results show that this formalism makes it possible to strongly improve the prediction of the evolution of cluster size distributions during irradiation.

Des amas de lacunes ont été observés et caractérisés expérimentalement dans les métaux de haute pureté après déformation plastique ou après une suite de traitements thermiques particuliers. Ces amas sont des obstacles à la propagation des dislocations et peuvent par conséquent induire un durcissement du métal.Cette étude par simulations numériques a permis d'explorer différents mécanismes de propagation de dislocations dans une concentration d'amas en fonction de la contrainte de cisaillement appliquée et de la température. À haute contrainte, la force appliquée sur la dislocation devient supérieure aux forces d'ancrage s’exerçant sur la ligne. La dislocation franchit la distribution d'amas en glissant et en cisaillant les amas. La dépendance de la force d'ancrage en fonction de la taille de l'amas est ajustée sur nos simulations de statique moléculaire. Dans ce domaine de contrainte, les configurations d'amas ancrant la dislocation sont rares et l'activation thermique suffit à désancrer la ligne. La probabilité de désancrer la ligne dépend de l'enthalpie d'activation, un paramètre que nous avons également estimé à l'aide d'un modèle analytique ajusté sur nos résultats atomistiques. À plus faible contrainte, lorsque la force appliquée est inférieure aux forces d'ancrage induites par les amas, la probabilité que la dislocation se désancre uniquement par glissement devient faible. La diffusion des lacunes, émises préférentiellement des amas, intervient alors et favorise la formation de crans. Cela contribue au désancrage de la ligne. Ce mécanisme est le glissement assisté par la montée. Les barrières d'émission, d'absorption et de migration de lacunes ont été déterminées par statique moléculaire et sont fortement dépendantes du champ élastique et de la distorsion du réseau atomique générés par la présence de la dislocation. Cela induit une forte anisotropie de diffusion au voisinage des dislocations qui conduit notamment au mécanisme de 'pipe diffusion'. L'évolution au cours du temps de l'ensemble de ces mécanismes a été étudiée à l'aide d'un modèle de ligne élastique couplé à un algorithme de Monte Carlo cinétique dont l'ensemble des barrières d'énergie provient de nos simulations atomistiques. Moyennant les hypothèses du modèle, nous avons alors obtenu une estimation de la vitesse des dislocations en fonction de la contrainte et de la température appliquée. Nous avons ensuite utilisé la loi d'Orowan pour estimer la vitesse de déformation liée à ces mécanismes. / Vacancy clusters have been observed and characterized experimentally in highly pure metals after plastic deformation or after a particular sequence of heat treatments. These clusters hinder the dislocation propagation and can therefore harden the metal.Using numerical simulations we have explored different mecanisms of dislocation propagation through a vacancy-cluster distribution, for several applied shear stress and temperature. At high stresses, the force applied on the dislocation becomes greater than the pinning forces acting on the line. The dislocation gets through the cluster distribution by gliding and shearing the clusters. The dependence of the pinning force with the cluster size is adjusted on our molecular static simulations. In this stress range, the pinning configurations are rare and the thermal activation is sufficient to unpin the line. The probability for the line to pass the pinning configuration depends on the activation enthalpy, a parameter that we have also estimated using an analytical model adjusted on our atomistic results. At lower stresses, when the applied force is below the pinning forces induced by the cluster, the probability that the dislocation unpins by pure glide becomes negligeable. The diffusion of vacancies, emitted preferentially from the vacancy clusters, intervenes and promotes the formation of jogs that contributes to the unpinning of the line. Such a mecanism is the glide assisted by climb. The emission, the absorption and the vacancy migration barriers have been determined by molecular static and are highly dependent on the elastic field and the atomic network distortion induced by the dislocation. This promotes a strong diffusion anisotropy in the vicinity of the dislocations which leads in particular to the pipe diffusion mechanism. The evolution with time of all these mechanisms has been studied using an elastic line model coupled to a kinetic Monte Carlo algorithm in which the parameters come from our atomistic simulations. According to the model assumptions, we obtained an estimation of dislocation velocity as a function of the applied shear stress and the temperature. We used the Orowan's law to estimate the strain rate related to such mechanisms.

Biaxial tensile strain has been shown to greatly enhance the optoelectronic properties of epitaxial germanium (Ge) layers. As a result, tensile-Ge (and#949t-Ge) layers grown on larger lattice constant InGaAs or GeSn have attracted great research interest. However, no previous studies have investigated the plastic relaxation occurring in these and#949t-Ge layers. Here, we experimentally demonstrate that plastic relaxation occurs in nearly all and#949t-Ge epitaxial layers that are of practical interest for optoelectronic applications, even when layers may still exhibit strain-enhanced characteristics. We show arrays of misfit dislocations (MDs), which are mostly disassociated, form at the and#949t-Ge/InGaAs interface for and#949t-Ge layers as thin as 15 nm with less than 1% total mismatch. Wedge geometry of plain view transmission electron microscopy (PV-TEM) foils is utilized to carry out a depth dependent investigation MD spacing for a range of and#949t-Ge/InGaAs heterostructures. MD spacing measured by PV-TEM is correlated to and#949t-Ge layer relaxation measured by high-resolution x-ray diffraction. We confirm very low relaxation (< 10% relaxed) in and#949t-Ge layers does not imply they have been coherently grown. We demonstrate plastic relaxation in the and#949t-Ge layer is acutely sensitive to grown-in threading dislocations (TDs) in the template material, and that reducing TD density is critical for maximizing strain retention. Given that and#949t-Ge layer thicknesses of 150+ nm with greater than 1% tensile strain are desired for optoelectronic devices, this work suggests that MDs may inevitably be present at and#949t-Ge/InGaAs heterointerfaces in practical devices, and that the effect of MDs on optoelectronic performance must be better understood. / Master of Science