Le carbure de silicium est un des materiaux envisages pour des applications nucleaires tels que les reacteurs a fission de 4eme generation et les reacteurs a fusion. Dans ce cadre, le SiC serait soumis a des conditions extremes de temperatures et d’irradiation ainsi qu’a la presence de gaz issus des produits de fission ou d’activation qui necessitent de comprendre comment les proprietes physiques du SiC pourraient evoluer. Dans le present travail nous nous sommes attaches a etudier les phenomenes se deroulant a l’echelle atomique qui modifient la microstructure et peuvent degrader les proprietes macroscopiques. La premiere partie de cette these est consacree a la caracterisation de l’endommagement et notamment des defauts lacunaires crees dans le SiC par irradiation avec des ions lourds a differentes energies et differentes fluences au moyen de la spectroscopie d’annihilation de positons (PAS) complete par la spectrometrie Raman. Les resultats de cette etude mettent en evidence que l’importante perte d’energie electronique associee aux irradiations avec des ions lourds modifie la nature et la distribution des defauts en-dessous de 0.2 dpa. Au-dela, l’impact n’est pas visible. Pour un endommagement a fort dpa en regime de collisions elastiques, l’amorphisation peut etre atteinte. Elle se caracterise par la formation de volumes libres equivalents a l’hexalacune. La deuxieme partie est consacree a l’etude de l’interaction de l’helium avec les defauts lacunaires dans des echantillons de SiC implantes He 50 keV a deux fluences. La distribution des defauts lacunaires etudiee par PAS evolue avec la temperature et deux stades d’evolution majeurs ont ete mis en evidence, celui a plus haute temperature depend de la fluence. Des mesures de thermodesorption ont montre que le second stade coincidait avec la desorption de l’helium. Enfin, des mesures de RBS et NRA en mode canalisee ont permis de localiser l’helium dans la maille cristalline et d’observer qu’une fraction migrait en quittant des sites interstitiels tetraedriques a une temperature correspondante au premier stade. / Silicon carbide is one of the envisaged materials for nuclear applications such as GEN IV fission reactor and fusion reactor. In this framework, SiC will be exposed to extreme temperature and radiation conditions and gas presence coming from activation and fission products. It is needed to better understand how the SiC physical properties will evolve under these conditions. In this work, we have specially focused our studies on the phenomena occurring at atomic scale and which modify the microstructure leading to the degradation of the macroscopic properties. The first part of this thesis is devoted to the damage characterization and especially to the vacancy-type defects created in SiC by heavy ion irradiation at various energies and fluences by using positron annihilation spectroscopy and Raman spectroscopy. The results highlight that the important electronic loss energy associated to high energy heavy ion irradiations modify the defect nature and distribution below 0.2 dpa. Beyond this value, the impact is not visible. For a damage induced at high dpa in the elastic collision regime, the SiC is amorphised and this structure is characterized by the formation of free volume similar to the hexa-vacancy. The second part is focused on the study of helium interaction with vacancy-type defects in SiC samples implanted with 50 keV-He ions at two fluences. First, the defect distribution evolution as a function of the temperature has been studied by PAS and has evidenced two evolution stages depending on the fluence. Then, thermodesorption measurements have shown that the second stage coincide with the helium desorption. Finally, RBS and NRA measurements in channeling mode have allowed us to localize helium atom in crystal structure and to observe that a part of helium migrates from tetrahedral interstitial sites at a temperature corresponding to the first stage one.

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The correlation of vacancy concentration with microhardness of Fe-Al alloys was studied on samples quenched from 1000 řC and subsequently annealed at lower temperatures. Using X-ray diffraction the lattice parameter and crystal structure were determined for samples of Fe-Al alloys. By measurements of positron lifetime was revealed the high concentration of vacancies in quenched samples and subsequent annealing caused significant decrease in vacancy concentration while in samples with Al content above 39% also the decrease of microhardness was measured. Measurements of coincidence Doppler broadening of annihilation peak helped to distinguish the annihilations coming from positron trapped or delocalized annihilated by electrons of both atoms, Fe and Al. Comparison of measured results with theoretical quantum-mechanics calculations performed in this diploma thesis determined the most probable defect type as a vacancy on A-sublatice of B2 structure.

This thesis deals with the system of titanium and hydrogen. Interstitial hydrogen alloys and hydrides are subject to intensive investigation, both theoretical and experimental. It has been proved, that absorbed hydrogen lowers the formation energy of defects in metals, and thus works as the so called 'defactant'. Surfactants on the surfaces of liquids lower the surface tension; defactants in solids lower the formation energy of defects. It has also been proved, that titanium absorbs hydrogen readily, when exposed to high temperature, or high pressure (fugacity); while different loading conditions lead to different features of the final sample. Beside ordinary coarse grained titanium, ultra-fine grained titanium shall be studied in present work, due to its high content of defects. Positron Annihilation Life-time Spectroscopy, a non-destructive technique sensitive on open-volume defects, shall be of prime importance in our investigation. We shall further use the X-ray diffraction, Micro-hardness measurements and Differential Scanning Calorimetry together with Thermogravimetry. Lastly, we shall strongly benefit from using existing computational tools like the Vienna ab-initio Simulation Package, or Pos330; a program for positron life--times calculations.

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The Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf operates a superconducting linear accelerator for electrons with energies up to 35 MeV and average beam currents up to 1.6 mA. The electron beam is employed for production of several secondary beams including X-rays from bremsstrahlung production, neutrons, and positrons. The secondary positron beam after moderation feeds the Monoenergetic Positron Source (MePS) where positron annihilation lifetime (PALS) and positron annihilation Doppler-broadening experiments in materials science are performed in parallel. The adjustable repetition rate of the continuous-wave electron beams allows matching of the pulse separation to the positron lifetime in the sample under study. The energy of the positron beam can be set between 0.5 keV and 20 keV to perform depth resolved defect spectroscopy and porosity studies especially for thin films.

La présence de lacunes d’oxygène dans les diélectriques est supposée dégrader les propriétés électriques des transistors « high-k metal gate ». Nous avons donc étudié les possibilités d’une nouvelle méthodologie pour analyser ces défauts dans des couches minces de HfO2. Il s’agit d’utiliser des techniques optimisées pour la caractérisation de nano-dispositifs i.e. la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) en microscopie électronique en transmission et la cathodoluminescence (CL)calibrées par la spectroscopie d’annihilation de positons (PAS). Des films de HfO2 ont été déposés par ALD et PVD sur des substrats de silicium. Pour les besoins du PAS, des couches d’épaisseur (10 à 100nm) supérieure au standard de la nanoélectronique ont été élaborées. D’après leurs analyses par DRX,RBS/NRA, MEB, TEM. Ces couches présentent majoritairement une structure complexe et un excès d’oxygène important. Les résultats PAS dépendent de la technique de dépôt et du traitement thermique.Leur comparaison avec des caractérisations électriques sur les couches les plus minces indique la génération de champs électriques dans la couche, à l’interface avec le substrat et dans le substrat. Ces observations confirment la présence de charges évoquée dans la littérature. Ces études ont permis de mettre au point la méthodologie et les conditions d’acquisition et d’analyse des spectres EELS et CL.Ceux-ci dépendent de la technique de dépôt et du traitement thermique. Cependant la qualité des couches n’a pas permis d’isoler les effets de la stoechiométrie. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives pour approfondir la compréhension des phénomènes se déroulant au sein des nano-dispositifs. / The presence of oxygen vacancies in high-k oxides is fore seen to have detrimental effects in high-kmetal gate MOS transistors. To validate this hypothesis, we investigate the possibility of using electron energy loss spectroscopy in an electron transmission microscope (EELS) and the cathodoluminescence(CL) calibrated by the positron annihilation spectroscopy (PAS) to analyze these defects in thin HfO2 layers.To develop this methodology, HfO2 films have been deposited both by ALD and PVD on silicon substrates. To make the samples adapted to the PAS depth resolution, the layers thicknesses (10 to100 nm) are higher than those used in microelectronics. According to XRD, RBS/NRA, MEB, TEM results, these layers present a complex structure and a large excess of oxygen.PAS results depend both on the deposition technique and on the heat treatment. They evidence the presence of electric fields in the oxide layer or at the interface with the substrate. Electrical measurements in the thinnest layers, confirm the presence of charges in the oxide layer as already mentioned in the literature. The sign of these charges changes with heat treatment and is in agreement with the PAS results.EELS improved data acquisition has been developed. The EELS and CL spectra have been analyzed using a systematic methodology allowing to extracting characteristic parameters. They depend on the deposition technique and the heat treatment. However, due to the poor quality of the layers, it has not been possible to isolate the effects of the stoichiometry. This work opens many perspectives to improve knowledge on phenomena occurring in devices.

Les propriétés d'autodiffusion de l’uranium sont essentielles pour la compréhension d’interaction pastille-gaine dans le réacteur. L'objectif de cette thèse est de déterminer les coefficients d'autodiffusion de l'uranium dans l’$UO_2$ hyper-stœchiométrique qui sont contrôlés, dans certaines conditions thermodynamiques, par les défauts ponctuels. Pour cet objectif, trois études différentes ont été réalisées. La première porte sur la compréhension des défauts d'oxygène et les différents réarrangements du réseau après oxydation. Pour cela, des échantillons d’$UO_2$ et d’$UO_{2+x}$ ont été caractérisés par une diffraction neutronique au sein du laboratoire ILL à Grenoble. Les résultats obtenus de l’analyse par la « Pair Distribution Function » montrent que les ions interstitiels ont tendance à être isolés aux faibles valeurs de x mais ils sont groupés aux valeurs plus élevées de x. La deuxième partie vise à étudier les défauts lacunaires d'uranium, prédominants dans les échantillons d’$UO_{2+x}$ recuits à haute température, qui influent directement sur l'autodiffusion de l'uranium. La méthode non destructive de « Spectroscopie d'annihilation de Positron », implémentée au laboratoire CEMHTI à Orléans, a été appliquée. Les résultats ont montré l'existence des lacunes d'uranium dans le matériau et leurs quantités peuvent être estimées en fonction de la mesure de durée de vie des positrons à l'aide d'un modèle de piégeage. La connaissance de la nature des défauts cationiques et anioniques et des équilibres de défauts aide à comprendre la corrélation entre les propriétés importantes du combustible (e.g, la diffusion, le fluage) et les conditions thermodynamiques (T, pO2). / Uranium self-diffusion properties are essential for the understanding of in-reactor pellet-cladding interaction. The aim of this thesis is to determined uranium self-diffusion coefficients in hyper-stoichiometric uranium dioxide under certain thermodynamic conditions, which indeed are governed by the induced point defects. For that purpose, three separate studies were carried out on virgin material. Firstly, to improve the knowledge of oxygen defects and the rearrangements occurring in the oxygen sub-lattice after oxidation, $UO_2$ and $UO_{2+x}$ samples were characterized by neutron diffraction in ILL Grenoble. The results obtained by a Pair Distribution Function analysis show that interstitial ions tend to be isolated at lower x but cluster at higher x. Secondly, to study the predominant uranium vacancy defects in high-temperature annealed $UO_{2+x}$, which directly influence the uranium self-diffusivity, a non-destructive method – Positron Annihilation Spectroscopy, available in CEMHTI, Orleans has been carried out. The results of Doppler broadening spectroscopy of annihilation of electron-positron pairs has proved the existence of uranium vacancies in the materials, and their concentration can be estimated based on the positron lifetime measurements using a trapping model. The knowledge of the nature relating to both cation and anion defects and defect equilibria are used to understand the correlation between important fuel properties (e.g. diffusion, creep) and thermodynamic conditions (i.e. temperature and oxygen partial pressure).

Dans les réacteurs à fusion, le tungstène subira des contraintes sévères dont, l’irradiation neutronique induisant la création de défauts ponctuels, et l’implantation d’hélium. La compréhension du comportement synergique des défauts lacunaires et de l’hélium est cruciale pour modéliser le comportement des composants en tungstène des futurs réacteurs à fusion thermonucléaire.Cette étude utilise la spectroscopie d’annihilation des positons (PAS) pour déterminer la nature et l’évolution en température des défauts d’implantation et l’analyse par réaction nucléaire (NRA)couplée ponctuellement à la microscopie électronique pour suivre le comportement de l’hélium.Les défauts générés dépendent des paramètres d’implantation (nature des ions, énergie, fluence). Par implantation d’3He à 800 keV, des monolacunes ont été créées et sont mobiles entre 473 et 623 K.L’augmentation de la concentration initiale en monolacunes décale le seuil de migration vers les basses températures. Des implantations à fort dpa (Fe 10 MeV) génèrent des amas lacunaires. Les impuretés jouent un rôle prépondérant sur le comportement en température des défauts.Le comportement de l’hélium a été étudié sous trois conditions d’implantation différentes. Les implantations à basse énergie (0,32 keV) montrent la création de complexes hélium-lacune par mutation. Les implantations à 60 keV mettent en évidence la compétition entre la migration, à basse fluence et le piégeage de l’hélium, à haute fluence. Finalement, des implantations à haute énergie(500 keV) renseignent sur l’influence de la microstructure sur la distribution des bulles d’hélium. / In fusion reactors, tungsten suffers severe constraints such as an intense neutron irradiation which induces the creation of point defects, and implantation of helium. Understanding the interactions between point defects and helium is crucial to model the behavior of tungsten components for future nuclear fusion applications.This study rely on the use of Positron Annihilation Spectroscopy (PAS) to determine the nature and thermal evolution of implantation-induced defects, and Nuclear Reaction Analysis (NRA) occasionally coupled with electron microscopy to investigate the behavior of helium.The nature of implantation-induced defects depends on the implantation parameters (type of ion,energy, fluence). Implantations of 3He at 800 keV, lead to the creation of monovacancies which aremobile between 473 and 623 K. Increasing the initial concentration of monovacancies shifts themigration threshold toward low temperature. Implantations with high level of damage (Fe 10 MeV) generate vacancy clusters. The impurities play a dominant role on the thermal behavior of defects. The behavior of helium was studied under three different implantation conditions. Implantations at low energy - 0.32 keV - show the creation of helium-vacancy complex by mutation. Implantations at 60keV show the competition between migration - at low fluence - and trapping of helium - at high fluence. Finally, high energy implantations (500 keV) provide information about the influence of microstructure on the distribution of helium bubbles.

La fusion thermonucléaire est envisagée comme nouvelle source énergétique pratiquement inépuisable. Le projet ITER « International Thermonuclear Experimental Reactor » doit démontrer la faisabilité scientifique et la maitrise de la fusion thermonucléaire. Le tungstène (W) a été choisi pour recouvrir le « divertor », un composant essentiel du réacteur ITER. Il sera soumis à des conditions extrêmes de fonctionnement : au bombardement neutronique, à d’intenses flux de chaleur et de particules (hélium, hydrogène). Ces conditions induiront dans le W des défauts et introduiront de l’hélium et de l’hydrogène, qui pourront conduire à des modifications de sa microstructure et de ses propriétés physiques, chimiques et mécaniques. L’objectif de ce travail est d’étudier, à l’échelle atomique, l’évolution de la microstructure du tungstène sous irradiation. Afin de simuler les atomes de recul générés par les irradiations aux neutrons, des échantillons de W ont été irradiés avec des ions lourds et/ou implantés avec de l’hélium. La nature des défauts a été étudiée à l’aide de la Spectroscopie d’Annihilation de Positons (PAS). Les résultats montrent que les irradiations aux ions lourds conduisent à la formation de monolacunes et de clusters lacunaires dont la taille et la concentration augmente avec la fluence. Des irradiations ou des recuits effectués à une température supérieure à 450 K conduisent à l’agglomération des défauts lacunaires essentiellement par migration des monolacunes. Pour des recuits à très hautes températures (1773 K), les observations MET montrent la présence de cavités nanométriques (∼10 nm). Les implantations avec les ions 4He 60 keV induisent dans le W une distribution de défauts complexes de type nHe-mv, ainsi qu’une faible concentration de monolacunes v. Une majorité de complexes He-v est formée pour la faible fluence et la fraction des défauts complexes (nHe-mv) augmente quand la fluence augmente. La nature et la distribution des défauts évolue en fonction de la température de recuit et dépend du ratio [He]/[v]. Le premier stade de recuit des défauts lacunaires (∼ 450 K) est masqué par la présence de l’hélium dans les défauts lacunaires. Pour un ratio [He]/[v] supérieur à 1, un stade d’agglomération des défauts est clairement observé à partir de 1623 K. Pour des conditions d’introduction de défauts et d’hélium proches de celles attendus dans les réacteurs de fusion (He/dpa allant de 0.03 à 8 appm He/dpa), la signature positon après irradiation est similaire à celle mesurée dans des échantillons seulement endommagés dans des conditions équivalentes mais sans introduire de l’hélium. Pour des rapports He/dpa allant de 0.3 à 8 appm He/dpa, les recuits révèlent des différences de distribution en taille et en concentration des défauts lacunaires. La présence d’hélium dans les amas lacunaires modifie les caractéristiques d’annihilation des positons et favorise la stabilisation des amas lacunaires. / Thermonuclear fusion is envisaged as a new energy source practically inexhaustible. The project ITER "International Thermonuclear Experimental Reactor" must demonstrate the scientific feasibility and the control of thermonuclear fusion. Tungsten (W) has been chosen to cover the "divertor", a critical component of the ITER reactor. It will be subjected to extreme operating conditions : to the neutron bombardment, to intense fluxes of heat and particles (helium, hydrogen). These conditions will induce defects in the W and will introduce helium and hydrogen which may lead to changes in microstructure and physical, chemical and mechanical properties. The aim of this work is to study, at the atomic scale, the evolution of tungsten microstructure under irradiation. In order to simulate the recoil atoms generated by the neutron irradiation, W samples were irradiated with heavy ions and/or implanted with helium ions. The nature of the defects has been studied by using Positron Annihilation Spectroscopy (PAS). The results show that irradiations with heavy ions lead to the formation of monovacancies and vacancy clusters whose size and concentration increase with the fluence. Irradiations or annealing carried out at a temperature above 450 K lead to agglomeration of vacancy defects essentially by monovacancies migration. For annealing at high temperatures (1773 K), the TEM observations indicate the presence of nanometric cavities (~ 10 nm). The implantations with 60 keV 4He ions induce in the W a distribution of complex defects like nHe-mv, as well as a low concentration of monovacancies v. A majority of complex He-v is formed for the low fluence and the fraction of complex defects (nHe-mv) increases as the flunce increases. The nature and distribution of defects evolve with annealing temperature and depend on the ratio [H]/[v]. The first stage annealing of vacancy defects (~ 450 K) is masked by the presence of helium in the vacancy defects. For a ratio [He]/[v] greater than 1, an agglomeration stage of defects is clearly observed from 1623 K. For conditions of introduction of defects and helium close to those expected in fusion reactors (He/dpa from 0.03-8 appm He/dpa), positron signature after irradiation is similar to that measured in samples damaged in equivalent conditions without introducing helium. For ratio He/dpa from 0.3 to 8 appm He/dpa, the annealing reveal differences in size distribution and concentration of vacancy defects. The presence of helium in the vacancy clusters changes the annihilation characteristics of positron and favors to stabilize the vacancy clusters.