L'application d'une déformation plastique intense à des alliages métalliques conduit généralement à la réduction de la taille de grains, ainsi à la formation d'une très forte densité de défauts (dislocations, lacunes, joints de grains,...), poussant le système loin de son équilibre thermodynamique. Ceci peut affecter la stabilité des microstructures et influencer les mécanismes de transformations de phases. L'objectif de ce travail est de comprendre l'effet d'une déformation plastique intense préalable sur deux types de transformations de phases diffusives : la précipitation et la mise en ordre. Deux alliages modèles ont été choisis, CuCr1 et Fe50Pd50. L'étude de l'alliage CuCr1 consiste dans un premier temps, à caractériser les premiers stades de la précipitation du Cr dans le Cu dans un état initialement non déformé. Les analyses en sonde atomique tomographique et les observations en microscopie électronique en transmission ont montré clairement la coexistence de trois familles de précipités riches en Cr. Les structures et compositions des précipités ont été analysées en détails. La cinétique de précipitation a été modélisée sur la base des arguments thermodynamique, prenant en compte les différents termes énergétiques (chimique, élastique et interface) qui rentrent en compétition lors de la précipitation du Cr dans le Cu. Par ailleurs, la déformation plastique par laminage de l'alliage CuCr, conduit à une accélération de la cinétique de précipitation, à cause d'une germination hétérogène des précipités riches en Cr sur les lignes de dislocations. Pour l'alliage Fe 50 Pd 50 , nous avons étudié l'effet d'une déformation plastique par torsion sous pression intense sur le mécanisme de mise en ordre. Les observations en microscopie électronique en transmission ont montré que le processus de mise en ordre dans un état nanostructuré est associé à la recristallisation. Tel que, les domaines ordonnés germent aux niveaux des joints de grains et grossissent au détriment de grains non recristallisés. Il est à noter qu'un champ coercitif record a été obtenu pour cet alliage dans l'état nanostructuré.

Les aciers ferritiques-martensitiques (FeCr) renforcés par une dispersion fine et dense d'oxydes (acier ODS - Oxide Dispersion Strengthened) possèdent une bonne résistance à l'irradiation et des propriétés mécaniques élevées à haute température. Les aciers ODS sont ainsi de bons candidats comme matériaux des structures de cœur des réacteurs de Génération IV. Il est envisageable de renforcer ces aciers par des nitrures nanométriques plutôt que par des oxydes (aciers NDS - Nitride Dispersion Strengthened). Dans cette thèse, des aciers ODS et NDS élaborés au CEA Saclay par 2 procédés distincts (mécanosynthèse et nitruration) sont étudiés par sonde atomique tomographique et d'autres techniques complémentaires, à différentes étapes du procédé d'élaboration (brut de broyage/nitruration, après recuit, après consolidation). Dans les aciers ODS, il apparait que deux mécanismes se produisent pendant la mécanosynthèse : la dissolution de la poudre d'oxyde d'yttrium initiale et la formation d'amas riches en Y et O. Il n'a pas été possible de déterminer si ces amas résultent d'un phénomène de précipitation ou d'une dissolution incomplète de l'oxyde initial. Pendant les recuits et la consolidation, ces amas servent de germes à la formation de particules riches en Y, Ti et O. En ce qui concerne les aciers NDS, que la mécanosynthèse est un procédé efficace pour obtenir une fine et dense dispersion de nitrures. Ces nitrures germent pendant l'étape de broyage mécanique. La taille et la densité numérique de ces nano-renforts dans le matériau consolidé sont similaires à ce qui est généralement observé dans les aciers ODS. Concernant le procédé de nitruration, différents nitrures sont observés (CrN, TiN). Il apparait que la microstructure obtenue est très hétérogène et que le procédé doit être optimisé.

Les propriétés optiques et électriques de nanoparticules de silicium enrobées de silice ont été au centre de nombreuses études ces vingt dernières années en raison de leurs potentielles applications pour les futures générations de cellules photovoltaïques, de mémoires flash et d'amplificateurs optiques. Ces matériaux présentent des propriétés d'émission lumineuse et de piégeage de charges qui dépendent fortement de leurs caractéristiques structurales. La distribution en taille des nanoparticules, leur densité volumique, leur interface ainsi que la qualité de l'oxyde sont des paramètres clés qui gouvernent la longueur d'onde des photons émis, la quantité de charges piégées... L'objectif de cette thèse vise à mieux comprendre la formation des nanoparticules de silicium à l'échelle atomique en fonction des paramètres d'élaboration (excès de Si, épaisseur des couches actives, température et temps de recuit, ...). Une évolution du coefficient de diffusion du Si dans la silice en fonction de l'excès de silicium est mise en évidence. Parallèlement, un changement drastique du mécanisme de décomposition en fonction de l'épaisseur des couches a été observé, pour passer parfois d'un mécanisme de germination / croissance à un processus de décomposition spinodale. De plus, des simulations Monte Carlo ont été mises en place afin d'étudier la décomposition spinodale confinée dans une couche d'épaisseur nanométrique.

Au cours de ces travaux de thèse, nous avons étudié la redistribution atomique de contaminantsmétalliques dans le silicium et au voisinage d'une interface SiO2/Si. Pour mener à bien cetteétude, trois techniques de caractérisation complémentaires ont été utilisées (TEM,APT,SIMS).Nous avons dans un premier temps étudié la diffusion ainsi que la ségrégation d'équilibre de contaminants à une interface SiO2/Si, et plus particulièrement, la diffusion du W et du Mo. Le Wprésente une cinétique de diffusion extrêmement lente. Les caractérisations réalisées par TEM et APT nous ont permis de discuter les profils de concentrations mesurés par SIMS et nous ont guidés dans le choix du modèle de diffusion proposé. L'étude de la diffusion du Mo révéle que cette espèce présente une limite de solubilité faible dans le silicium et une forte interaction avec des défauts d'irradiation, provoquant sa précipitation.Dans un second volet, nous nous sommes intéressés à l'effet d'une interface mobile, lors d'une réaction, sur la redistribution atomique des contaminants proches de cette interface. Nous avons ainsiréalisé une étude comparative des comportements du Fe et W lors de procédés d'oxydation.Le tungstène précipite dans le volume et est progressivement rejeté par l'oxydation. Le ferprécipite à l'interface SiO2/Si, provoquant un effet de masquage dont nous avons montré qu'il étaitresponsable de la formation de défauts pyramidaux d'interface, caractéristiques d'une contaminationen fer du silicium. Le procédé de germano-siliciuration de nickel, réalisé à basses températures a également été investigué. Cette réaction provoque le rejet 3D du germanium à l'interface NiSiGe/SiGe. / During this thesis work, we studied the atomic redistribution of metallic contaminantsin silicon and near a SiO2/Si interface. To conduct this study, we used three complementary characterisation techniques : transmission electron microscopy (TEM), atomic probe tomography (APT) and secondary ion mass spectrometry (SIMS).We first studied the diffusion and equilibrium segregation of various contaminants at a SiO2/Si interface, and more particularly, the diffusion of W and Mo. W exhibits a very slow diffusion kinetic.Physico-chemical characterizations performed by TEM and APT allowed discussing the concentrationprofiles obtained by SIMS leading to the diffusion model that we proposed. The study of Mo diffusionrevealed that this specy exhibits a low solubility limit in silicon and strongly interacts with irradiation-induced defects, leading to its precipitation.In a second phase, we studied the effect of a mobile interface, during a reaction, on the atomic redistribution of contaminants near this interface. We performed a comparative study of the behaviourof Fe and W during oxidation processes. W precipitates in the silicon substrate and is progressivelyrejected (snowplow) by the oxidation. Fe preferentially precipitates at the SiO2/Si interface. Theseprecipitates mask a part of the silicon substrate and thus hinder its oxidation, leading to the formation of characteristics pyramidal-shaped defects at the interface. Low temperature nickel germano-silicide formation have also been investigated. This reaction leads to the 3D snowplow of germanium atoms at the NiSiGe/SiGe interface.

Cette thèse porte sur l'étude des phénomènes qui se produisent lors de la réaction métal-silicium (siliciuration) en couches minces et dans des nanofils. En effet, les phénomènes tels que la germination, la croissance latérale, la croissance normale et la diffusion doivent être compris pour réaliser les contacts des futurs dispositifs de la microélectronique. La comparaison entre la siliciuration en couches minces et dans les nanofils est l'un des principaux aspects de ce travail. La distribution atomique en 3D des éléments chimiques dans les différentes siliciures de Ni a été obtenue par sonde atomique tomographique (SAT). Pour permettre l'analyse par SAT de différents types des nanofils à base de silicium, plusieurs méthodes originales de préparation des échantillons par faisceau d'ions focalisés ont été développées et testées. D'autre part, des mesures in situ et en temps réel de diffusion réactive par diffraction de rayons X ont permis de mettre en évidence l'importance de la germination dans la formation des phases et de déterminer les cinétiques de formation des siliciures de Ni allié en Pt, notamment des régimes de réaction aux interfaces et de croissance latérale. La forme caractéristique associée à la croissance latérale a été déterminée par des analyses ex situ de microscopie électronique en transmission et comparée aux modèles existants. La détermination par SAT de l'espèce qui diffuse majoritairement donne aussi des indications sur les mécanismes de formation des phases et de relaxation des contraintes dans les siliciures. / This thesis focuses on the phenomena that occur during the reaction between metal and silicon (silicide) on thin films and nanowires. Indeed, phenomena such as nucleation, lateral growth, normal growth and diffusion must be understood to make contacts for future microelectronic devices. The comparison between the silicide formation on thin films and nanowires is one of the main aspects of this work. Atomic distribution in 3D for the elements in different Ni silicide phase was obtained by atom probe tomography (APT). To enable the analysis of different types of silicon nanowires by APT, several original methods for sample preparation by focused ion beam has been developed and tested. On the other hand, in situ and real-time analysis by X-ray diffraction during the reactive diffusion helped to highlight the importance of the nucleation of a phase and to determine the kinetics of formation of Ni(Pt) silicides, including the reaction on the interfaces and the lateral growth. The characteristic shape associated with the lateral growth was determined by ex-situ transmission electron microscopy analyzes and was compared with the existing theoretical models. Moreover, the determination of the fastest diffusing species by APT provided information on the mechanisms of phase formation and stress relaxation in the silicide.

Les structures internes des réacteurs à eau pressurisée, en aciers austénitiques inoxydables 304 et 316, sont soumises à un fort flux de neutrons. Cette irradiation engendre une dégradation des propriétés macroscopiques (durcissement, perte de la résistance à la corrosion...) entraînant la fissuration de certaines vis des structures internes par un phénomène complexe de corrosion sous contrainte assistée par l'irradiation. La modification des propriétés macroscopiques est attribuée à un changement de la microstructure sous irradiation : formation d'amas de défauts ponctuels (boucles de Frank, cavités et/ou bulles de gaz), ségrégation induite aux joints de grains. Cependant, peu d'études traitent de l'effet de l'irradiation neutronique sur la répartition des solutés au sein des grains de ces matériaux. Le premier objectif de ces travaux est donc d'observer, à l'échelle atomique, la répartition des solutés après irradiation aux neutrons, par sonde atomique tomographique. La présence d'amas Ni-Si est ainsi mise en évidence. Puis, grâce à des irradiations modèles aux ions et avec l'apport de la microscopie électronique en transmission et d'un modèle de dynamique d'amas, des informations sont apportées concernant le mécanisme de formation des amas de solutés. L'hypothèse de la précipitation hétérogène induite semble la plus plausible. Le second objectif est d'élaborer un acier austénitique à grains ultrafins. L'augmentation de la surface de joints de grains permet alors une plus grande élimination des défauts ponctuels responsables de l'évolution de la microstructure sous irradiation. La microstructure de ce matériau est caractérisée après recuits et irradiation. Les résultats indiquent une limitation du dommage intra-granulaire dans ces matériaux.

Un matériau magnétorésistif voit sa résistance électrique varier lorsqu'un champ magnétique lui est appliqué. Le but de cette étude est de relier les différents paramètres structuraux aux propriétés magnétiques et de magnétorésistance de systèmes granulaires de Cu80FexNi20-x (at%) élaborés sous forme de rubans. L'influence de la composition de l'alliage est d'abord présenté. Puis, la microstructure d'un ruban de Cu80Fe10Ni10(at%), présentant le maximum de magnétorésistance, a été précisément caractérisée de l'échelle microscopique à l'échelle atomique. Cet échantillon est constitué de précipités fcc riches en fer et en nickel cohérents avec la matrice riche en cuivre. L'étude des propriétés magnétiques de ce ruban a permis de montrer que des interactions magnétiques sont présentes qui diminuent la MRG. Les paramètres structuraux (distributions de taille et de composition, fraction volumique et densité de précipités, largeur des interfaces...) ont été corrélés aux propriétés magnétiques.

Afin d'améliorer la compréhension de l'évolution microstructurale des alliages Fe-Cr irradiés, alliages modèles des aciers ferrito-martensitiques (F-M) à haut Cr candidats comme matériaux de structure des réacteurs de génération IV, l'évolution de la microstructure a été étudiée à l'échelle nanométrique en fonction de la teneur en Cr et de la température d'irradiation. Deux séries d'expériences ont été réalisées: ● Des alliages modèles Fe-5%Cr, Fe-9%Cr et Fe-12%Cr irradiés aux neutrons à 300°C (température minimale de service pour les aciers F-M) jusqu'à 0.6dpa ont été analysés par sonde atomique 3D (3DAP). Ces analyses ont montré que les impuretés sont également impliquées dans l'évolution microstructurale de ces alliages sous irradiation. Deux familles indépendantes de clusters ont été observées : des clusters de NiSiPCr observés dans tous les alliages et des clusters riches en Cr correspondant à la phase α ' mais observés uniquement dans les alliages sursaturés en Cr (Fe-9%Cr et Fe-12%Cr). Ce travail a montré que l'apparition des clusters de NiSiPCr est induite par l'irradiation alors que celle des clusters riches en Cr est issue d'un processus accéléré par l'irradiation. Des enrichissements en Si, P et Cr ont été observés sur les lignes de dislocations ainsi que dans des joints de grain de faible et forte désorientation dans tous les alliages. ● Des alliages Fe-9%Cr et Fe-12%Cr ont été irradiés aux ions Fe + de 150 keV à 500°C (température maximale de service pour les aciers F-M). Des expériences de MET in situ entreprises jusqu'à une dose de 1.5 dpa, ont montré que le dommage apparaissait sous la forme de boucles de dislocations distribuées de façon homogène dans les grains. Dans les deux alliages modèles les boucles sont principalement du type <100>. L'analyse par 3DAP des mêmes alliages irradiés dans les mêmes conditions mais sous forme de pointes ne révèle aucune redistribution des espèces chimiques après irradiation.

Les nanofils de silicium (Si) sont des nano-objets à une dimension. Ils font l'objet de beaucoup d'intérêt ces dernières années en raison de leurs bonnes propriétés et leur grand potentiel d'applications. Pour ces applications, il est important de parfaitement contrôler la croissance de ces objets ainsi que leurs dopages. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail de thèse est la modélisation de la croissance des nanofils de Si et la métrologie à l'échelle atomique de la composition des nanofils. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié le taux de croissance (longueur) ainsi que l'évolution de la morphologie des nanofils, en particulier l'effet d'effilage. Plusieurs modèles sont proposés selon la nature des nanofils synthétisés via différentes méthodes d'élaboration: Dépôt Chimique en phase Vapeur et Epitaxie par Jets Moléculaires. Les taux de croissance varient selon les méthodes de synthèse. Le modèle reproduit fidèlement les données expérimentales. L'influence des conditions expérimentales sur la morphologie des nanofils est également étudiée dans cette partie. L'objectif de la seconde partie de ce travail est la métrologie des impuretés (catalyseur et dopant) dans les nanofils de Si. Cette étude est réalisée à l'aide de la technique de Sonde Atomique Tomographique (SAT). Cette technique permet une analyse à l'échelle atomique, dans l'espace réel et en trois dimensions de l'objet analysé. Des nanofils synthétisés par différentes techniques telles : la gravure chimique, la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) et la méthode Solide-Liquide-Solide (SLS), en utilisant différents catalyseurs de croissance tels Au, In et Sn, sont étudiés. La présence d'atomes des catalyseurs dans les nanofils se trouve être un phénomène général. Un travail sur la métrologie des dopants a également été réalisé. La concentration des dopants et leurs distributions dans les nanofils synthétisé par gravure chimique est inchangée. En revanche, dans les nanofils de Si dopés via un mécanisme de croissance VLS, une structure cœur-coquille avec un cœur sous-dopé et une coquille sur-dopée est observée. Ceci est retrouvé quelque soit la morphologie du nanofil et la nature chimique du dopant. Un modèle basé sur la diffusion latéral (via la surface du nanofil) des dopants est proposé afin de reproduire les profils expérimentaux observés et aussi préciser une voie d'incorporation possible des dopants.

Comprendre l'origine de la fragilisation des aciers austéno-ferritiques utilisés dans les coudes moulés des circuits primaires des centrales nucléaires est une étape clé pour l'anticipation de leur vieillissement. Cette prédiction nécessite une caractérisation et une compréhension du mécanisme de transformation de phase à l'origine de ce constat : la décomposition de la ferrite. Ainsi, de façon duale, des ferrites d'aciers vieillis plus de 20 ans, sur site ou en laboratoire ainsi qu'à différentes températures, ont été analysées par sonde atomique tomographique et un travail de simulation de la décomposition de la ferrite d'alliages modèles Fe-Cr a été initié. Afin de valider les paramètres utilisés en simulation Monte Carlo, une étude expérimentale de la démixtion d'un alliage Fe-20 % at. Cr vieilli à 500°C a été réalisée. Cette étude expérimentale a montré qu'un régime de germination non classique (GNC) intervient dans cet alliage. La simulation de la décomposition de la ferrite dans le même alliage, vieilli à la même température, n'a pas révélé l'enrichissement progressif des précipités de phase α' caractéristique de la GNC. L'étude d'aciers vieillis plus de 20 ans a permis de confirmer que les aciers vieillis en laboratoire sont représentatifs de ceux vieillis sur site (pour T < 350°C), que la phase G (précipitation intermétallique à l'interface des phases α/α') n'influence pas la fragilisation de la ferrite et que la différence de traitement thermomécanique n'est pas déterminante quant à l'écart de décomposition observé dans ces aciers.