Thèse de doctorat : Physique et Chimie de la Matière et des Matériaux : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Inaug.-Diss.: Philosophische Fakultät: Frankfurt am Main: 1971. _ Résumé p. 144-146. _ Bibliogr. p. 146-148.

Th. 3e cycle--Mét.--Grenoble--I.N.P., 1980. N°: D3 108.

Cette thèse adapte le modèle GRAAL, initialement dédié à la prédiction du comportement à long terme des verres nucléaires type R7T7, à l’étude de l’altération des verres basaltiques, matériaux considérés comme des analogues naturels des verres nucléaires. Cette thèse cherche à valider les hypothèses fondatrices du modèle GRAAL et évaluer sa robustesse en l’appliquant aux verres basaltiques. Pour ce faire, deux axes de recherche sont suivis. Le premier consiste à reparamétrer le modèle GRAAL pour le verre basaltique. Le travail de description de la couche amorphe qui se forme durant l’altération du verre, a été entrepris aux moyen d’expériences de lixiviation de verres basaltiques simplifiés à 90°C et différents pH (7 ; 8,5 et 10). Des fortes analogies observées sur le comportement des éléments ont permis de conserver une partie du paramétrage du modèle GRAAL dédié aux verres nucléaires. Des expériences ont également été conduites pour affiner la compréhension des mécanismes d’altération à long terme du verre basaltique. A fort progrès de réaction, l’altération du verre basaltique n’est pas limitée par un mécanisme diffusif, comme c’est le cas pour le verre nucléaire, mais par une très lente hydrolyse du réseau vitreux entretenue par la précipitation de phases secondaires. Ainsi une modification de la loi cinétique de dissolution du verre a été réalisée.Le modèle, reparamétré avec la même méthodologie que celle employée pour le paramétrer pour le modèle de verre nucléaire parvient à rendre compte avec justesse de l’altération du verre basaltique pour les pH faiblement basiques, renforçant ainsi la confiance que l’on peut accorder au modèle sur les prédictions liées au verre nucléaire. / This thesis adapts the GRAAL model, initially dedicated to the prediction of the long-term behavior of nuclear glasses, to basaltic glasses.This thesis intends to validate the relevance of the founding hypotheses of the GRAAL model as well as to assess its robustness. To achieve this, two lines of research were carried out simultaneously. The first was to re-parameterize the GRAAL model for basaltic glass compositions. To describe the amorphous layer formed during glass alteration, simple basaltic glasses were leached at 90 ° C and various pH (7, 8.5 and 10). Strong analogies observed on the behavior of the elements allowed to preserve a part of the parameterization of the GRAAL model. Experiments have also been conducted to improve the understanding of the mechanisms of basaltic glasses alteration in silica saturated conditions. It is shown that alteration of the basaltic glass is not limited by a diffusive mechanism like nuclear glass, but by a very slow hydrolysis of the vitreous network sustained by the precipitation of secondary phases. Thus, a modification of the kinetic law of the model controlling the dissolution of the glass was carried out.The model, then, accurately accounts for the alteration of basaltic glass in slightly alkaline conditions, thus reinforcing the confidence that can be given to the model on the predictions related to nuclear glasses.

Certains critères d'évaluation de la qualité des surfaces, comme également les aspects de l'effet produit par le rayon laser à l'action très courte sur le matériel en verre ont été étudiés. Le point majeur de départ de ces travaux de recherche a été la forme et les dimensions des cratères. Une première partie des expériences réalisées a conduit à la détermination du pourcentage d'influence des paramètres technologiques avec des valeurs différentes, sur la profondeur et le volume des cratères à l'action du rayon laser sur le verre.Dans le but de réduire le nombre d'expérimentation, le plan basé sur la méthode Taguchi a été utilisé. Dans la deuxième étape, les paramètres technologiques élargit sur un champ plus large de valeurs a été étudié pouir mettre en évidence leur influence sur la forme et sur la dimension du cratère. Grâce à l'évaluation des cratères, une classification de l'influence des paramètres technologiques étudiés sur certaines caractéristiques de qualité a pu être réalisé. L'évaluation de la forme, de l'aspect et du profil du cratère parallèle à l'axe de symétrie et le matériel fondu excessivement ont mené l'introduction du concept de "classe de qualité du cratère" et à la définition des classes en fonction de l'existence ou de l'inexistence des caractérisitques concrètes de qualité. La classe de qualité du cratère restera à la base du concept de classe de qualité de la gravure sur du verre. L'évaluation de ces surfaces selon des critères semblables ; ceux de l'évaluation des cratères a permis d'établir un "axe de qualité" des surfaces en verre gravées au laser. Cet axe est dépendant de la valeur de la puissance du rayon laser et de la durée de l'impulsion laser. / Some evaluation of surface quality criteria, as also the aspect of the effect of the laser beam action at very shorts inpuls on glass materials were studied. The main starting point for this research was the shape and size of craters. A first part of experiments led to the determination of the percentage of influence of the process parameters with different values of the depth and the volume to the action of the craters of the laser beam on the glass.In order to reduce the number experiments, the plan based on the Taguchi method was used. In the second stage, the technological parameters extends over a wider field of values ​​was studied to highlight their influence on the shape and size of the crater. Through evaluation of the craters, a classification of the influence of technological parameters studied on certain characteristics of quality has been achieved. The evaluation of the shape, appearance and profile of the crater parallel to the axis of symmetry and the molten material excessively led the introduction of the concept of "quality class of the crater" and the definition of classes quality depending on the existence or non existence of specify quality characteristics. The quality class of the crater will remain the basis of the concept of class quality of engraving on glass. The evaluation of these surfaces as similar to those of the evaluation criteria of the craters was allowed to establish a "quality axis" for glass surface engrave with laser. This axis is dependent on the value of the laser power and duration of the laser pulse.

Depuis leur découverte à la fin des années 1950, les vitrocéramiques n’ont cessé de conquérir différents domaines d’intérêt. Plus récemment, ces matériaux ont fait leur arrivée dans le domaine de l’optique et de la photonique notamment pour leur habileté à augmenter l’intensité des émissions de type up-conversion. En ce sens, ce projet porte sur la génération de lumière blanche par addition des bandes d’émission, dans le bleu, le vert et le rouge, obtenues par up-conversion dans des verres et des vitrocéramiques dopés aux ions de terre rares Yb3+, Er3+ et Tm3+. Durant cette étude, une série de verres et de vitrocéramiques transparentes fut fabriquée. Des analyses par spectrofluorimétrie démontrèrent une augmentation du phénomène d’up-conversion, de 10 à 160 fois plus importante selon les émissions, pour les vitrocéramiques que le verre. De plus, une large gamme de couleurs émises fut générée en modulant la puissance du laser et le temps de céramisation.

Dans les domaines de l'optique et de l'électronique, la fabrication de structures nano et microscopiques organisées nécessitent l'utilisation de méthodes coûteuses d'un point de vue énergétique mais aussi de temps de travail et de quantité de matériel : dans la plupart des cas, les structures sont fabriquées par le biais de photo-lithographie, de gravure, et de FIB (sonde ionique focalisée) sur des matériaux tels que le silicium. Ces méthodes, bien que très utilisées et maîtrisées, produisent des structures dont la surface possède une certaine rugosité causée par le processus de gravure. Une alternative, plus simple et moins coûteuse, se trouve dans l'exploitation du phénomène de démouillage qui peut se définir comme étant une diffusion de la matière gouvernée par des forces interfaciales tentant de réduire la surface entre deux matériaux. En plus des effets décrits ci-après, le démouillage permet d'obtenir une réduction de la rugosité de la surface ; propriété très importante pour une application optique. Le phénomène de démouillage est bien connu dans la littérature et particulièrement dans le domaine des recouvrements polymériques (peintures, traitements de surface, etc.) puisqu'il s'agit d'un e et néfaste causant une réduction de la surface de la couche polymérique appliquée sur un matériau (décollement, formation de gouttelettes, etc.). Mais lorsque ce phénomène est contrôlé et appliqué aux couches-minces, il peut s'avérer très intéressant pour la fabrication de structures à l'échelle microscopique voire nanoscopique. De nos jours il existe plusieurs exemples de couches-minces polymériques ayant subit un démouillage contrôlé pour des applications telles que le développement de surfaces anti-réflectives. De même, le démouillage a été appliqué à des couches-minces métalliques pour former des structures possédant des propriétés plasmoniques (Au, Ag) ou magnétiques (FePt). L'application du démouillage aux systèmes vitreux reste cependant peu développée, mais possède d'attrayantes propriétés, particulièrement pour les verres de chalcogénures. Dans cette thèse, nous discutons des différents types de démouillages appliqués aux couches minces de verres de chalcogénures, et plus particulièrement au système Agx(As20S80)100-x. L'avantage de ce système réside dans sa bonne transmission dans l'infrarouge proche et moyen, permettant ainsi de possibles applications dans cette région sous formes de guides d'ondes, résonateurs, etc. Deux méthodes de démouillages sont étudiées : la première, thermique ; la deuxième, photoII induite. Pour le démouillage induit thermiquement, les couches-minces doivent subir un traitement thermique à des températures supérieures à la température de transition vitreuse du verre a n d'obtenir une viscosité suffisamment faible pour que la tension interfaciale entre la couche-mince et le substrat cause le démouillage de l'échantillon. Cette méthode permet l'obtention de structures circulaires quasiment hémisphériques dont la taille et la forme sont contrôlables par changement de la composition chimique et des paramètres thermiques. Pour le démouillage photo-induit, nous avons utilisé différents lasers à ondes entretenues (CW) dont les longueurs d'onde d'émission sont proches de celles des bandes interdites des différentes couches-minces. Le démouillage ainsi causé par l'irradiation laser est différent du démouillage induit thermiquement. L'exposition au faisceau laser va créer des structures démouillées linéairement et de manière perpendiculaire au champs électrique du faisceau incident. En plus du phénomène de démouillage, lorsque la couche-mince est irradiée par un faisceau laser de longueur d'onde proche de celle de la bande interdite, il apparaît un processus photoanisotropique de biréfringence. Nous avons étudié l'impact des différents paramètres liés au faisceau laser tels que la densité de puissance et le temps d'exposition. Ce processus est indépendant du démouillage et va apparaître avant celui-ci. / The fabrication of self-assembled nano and microscopic structures has been of great interest in the past decades, mainly for the production of optical devices. The methods of fabrication are based on photo-lithography, liquid and/or gas etching, and focused ion beam (FIB). Those methods are costly and time consuming and might create poor surface quality. In this thesis, we present an alternative method of fabrication based on the dewetting phenomenon. It is de ned as the di usion of matter driven by interfacial forces and a reduction of the shared area between two materials. One interesting property of this process is a decrease in surface roughness leading to good optical quality. The dewetting phenomenon is well reported for polymeric lms as well as metallic thin- lms. In the case of polymeric materials, dewetting can be used for the formation of nano and micro-structures, for example, the fabrication of anti-re ective surfaces. For metallic materials, plasmonic (Au, Ag) and magnetic (FePt) structures can be produced on the surface of metallic thin- lms. However, for glassy thin- lms, dewetting is still in its early stages. In this thesis, we will explore di erent types of dewetting on chalcogenide glassy thin- lms of the Agx(As20S80)100-x system. An interesting property of the prepared thin- lms is their transparency in the infrared region allowing promising applications such as waveguides and resonators. Two distinct approaches are studied in this thesis: the rst one is a thermally-induced process; the second one is based on photo-induced e ects. For thermal dewetting, glassy thin- lms must undergo thermal treatments above the glass transition temperature (Tg) in order to decrease the viscosity until interfacial tensions between the lm and its substrate are high enough to induce dewetting. With this technique, we can obtain quasi-hemispherical structures whose shape and size can be controlled by varying chemical composition and thermal parameters (temperature, time, atmosphere, etc.). For laser-induced dewetting, we use a continuous wave (CW) laser whose wavelength must be near the bandgap of the material. Laser-induced dewetted structures are very di erent from their thermal counterparts: instead of being worm-like or hemispherical, they auto-organise in parallel lines, separated by a distance proportional to the initial thickness of the lm. IV Furthermore, structures are always perpendicular to the electric eld of the incident laser beam. Additionally, when thin- lms are exposed to a laser irradiation of near-bandgap energy, a photo-anisotropic process of birefringence appears. We have reported the e ect of di erent laser parameters such as power density and exposure time. This process of photo-birefringence is independant and appears before dewetting.

La gestion des déchets produits par l’industrie nucléaire est un enjeu majeur de nos sociétés. En France, l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra), est chargée de la mise en œuvre du projet Cigéo, centre industriel de stockage géologique, un concept de stockage profond en milieu argileux des déchets radioactifs HA et MAVL. Dans ce concept, le verre a été choisi comme matrice de confinement pour les déchets radioactifs de haute activité et la prédiction du comportement du colis de déchet sur le long terme est l’un des éléments essentiels de sureté. Afin d’identifier les mécanismes d’altération du verre en présence de fer issu du conteneur de stockage, différents systèmes verre/fer/argilite ont été altérés dans des conditions proches du probable site de stockage géologique. Un couplage de techniques de caractérisation post-mortem de l’échelle micro à nanométrique a permis de caractériser les systèmes et d’identifier les silicates de fer qui se forment dans la couche d’altération du verre SON68 et dans les produits de corrosion du fer. A 50°C, les smectites dioctaédriques de FeIII (assimilées à de la nontronite) se forment préférentiellement, tandis que des serpentines trioctaédriques riches en FeII (greenalite, berthierine) ne sont détectées que pour une température de 90°C. Ces phyllosilicates nanométriques ont un impact macroscopique sur l’altération du verre nucléaire. En effet les interactions silicium/fer entretiennent l’altération du verre et retardent l’atteinte du régime d’altération en vitesse résiduelle. / Management of waste generated by the nuclear industry is a major challenge for our societies. In France, the French national radioactive waste management agency (Andra) is responsible for the implementation of the Cigéo project, an industrial geological storage center planning to use deep storage in clay medium for high level and intermediate-level long lived waste. Glass has been chosen in this project as a containment matrix for high-level radioactive waste. Understanding the long-term expected evolution of the waste package's behavior is critical for safety purposes.In order to identify the alteration mechanisms of the glass in the presence of iron from the storage container, different glass/iron/argillite systems have been altered under conditions close to those in the probable geological storage site. A coupling of post-mortem characterization techniques from the micrometric to nanometric scale allowed to characterize the systems and to identify the iron silicates formed in the glass alteration layer of the SON68 glass and in the iron corrosion products. At 50°C dioctahedral smectites of FeIII (assimilated to nontronite) are preferentially formed, while FeII-rich trioctaedric serpentines (greenalite, berthierine) are detected only at a temperature of 90°C.These nanometric phyllosilicates have a macroscopic impact on the alteration of nuclear glass. Indeed silicon/iron interactions maintain the alteration of the glass and delay the achievement of the residual rate in its alteration regime.

L’incorporation d’oxyde de niobium, un métal de transition à valence multiple, dans des verres de phosphates permettrait leur intégration dans des systèmes de détection de gaz à haute température puisqu’ils présentent des propriétés optiques et électriques modulables en fonction de la température et de l’atmosphère. Dans le cadre de cette maîtrise, les verres (60-x)P₂O₅-xNa₂O-40Nb₂O₅ où x = 23, 27, 30 et 33 %mol ont été étudiés afin d’évaluer l’influence de la composition et de la température sur l’état d’oxydation du niobium. Sous forme d’oxyde, le niobium se retrouve généralement dans un état d’oxydation Nb(V) de forme Nb₂O₅, un composé incolore. Lorsque l’oxyde de niobium est réduit partiellement, il se retrouve sous forme NbO₂ d’état d’oxydation Nb(IV) qui présente une coloration bleu-noir. Les verres ont été traités thermiquement sous air et sous atmosphère partielle d’hydrogène (90Ar/10H₂) entre 450 et 630 °C. Les propriétés optiques ont été mesurées par spectrophotométrie UV-visible et permettent d’observer une large bande d’absorption dans le domaine du visible jusqu’au proche infrarouge suite aux traitements thermiques réducteurs. Une analyse de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE) permet de révéler la présence d’espèces Nb⁴⁺ responsables de la coloration bleu-noir des verres. Les analyses Raman démontrent que le niobium se retrouve en sites octaédriques NbO₆ pour toutes les compositions et qu’une diminution de la concentration en ions Na⁺ permet d’augmenter le nombre d’oxygènes pontants et favorise ainsi la réduction du niobium. De plus, les verres présentent une conductivité électrique mixte ionique-électronique entre 10⁻¹⁰ et 10⁻³ S·cm⁻¹ sur une gamme de températures entre 25 et 575 °C. La conductivité ionique est due à la mobilité des ions Na⁺ dans le réseau vitreux et est plus importante lorsque la concentration de ce porteur de charge augmente. La conductivité électronique est due à la présence d’espèces Nb⁵⁺ et Nb⁴⁺. La coloration bleu foncé des verres ainsi que la conductivité électronique peuvent être expliquées par des phénomènes de transfert de charge soit respectivement le transfert de charge d’intervalence et le saut de petit polaron. Finalement, des analyses DRX, DSC, de densité, d’indice de réfraction et d’analyse thermogravimétrique (ATG) ont aussi été effectuées sur ces verres. / The incorporation of niobium oxide, a mixed valency transition metal, in phosphate glasses would allow their integration in high temperature gas detection systems because they have optical and electrical properties that can be modulated according to the temperature and the atmosphere. In this study, the glasses (60-x)P₂O₅-xNa₂O-40Nb₂O₅ where x = 23, 27, 30 and 33 mol% were studied to evaluate the influence of the composition and the temperature on the oxidation state of niobium. In the oxide form, niobium is generally found in an oxidation state Nb(V) of composition Nb₂O₅, a colorless compound. When the niobium oxide is reduced, it is found in NbO2 composition with Nb(IV) oxidation state, which exhibits a dark-blue coloration. The glasses were heat-treated in air and hydrogenated atmosphere (90Ar/10H₂) between 450 and 630 °C. The transmittance properties were measured by UV-visible spectrophotometry resulting in a broad absorption band in the visible range up to the near-infrared following reductive thermal treatments. Electron paramagnetic resonance analysis revealed the presence of Nb⁴⁺ species responsible for the dark-blue coloration of glasses. Raman analyzes show that niobium is found in octahedral sites NbO₆ for all the compositions and a decrease in Na⁺ ions makes it possible to increase the number of bridging oxygens and thus favors the reduction of niobium. In addition, the glasses have a mixed electrical ion-electron conductivity between 10⁻¹⁰ and 10⁻³ S·cm⁻¹ over a temperature range between 25 and 575 °C. The ionic conductivity is due to the mobility of the Na⁺ ions in the vitreous lattice and is more important when the concentration of this charge carrier increases. Electronic conductivity is due to the presence of Nb⁵⁺ and Nb⁴⁺ species. The dark-blue coloration of the glasses and the electronic conductivity can be explained by interatomic charge transfer phenomenons, respectively know as intervalence charge transfer and the small polaron hopping. Moreover, XRD, DSC, density, refractive index and TGA analyzes were also performed on theses glasses.

Le comportement mécanique du verre silico-sodo-calcique soumis à un contact ponctuel peut être amélioré par trempe. Les effets de trempe se manifestent par des gradients de propriétés sur le comportement du verre rendant la modélisation plus complexe. Ce travail a porté sur la modélisation et la simulation des verres non trempés et trempés soumis aux essais de nano-indentation et de nano-rayage. Les outils de simulation par éléments finis ont été développé et validés sur le verre métallique, choisi en raison de son comportement plastique connu. En comparant avec les données expérimentales, nous avons observé que les paramètres du matériau et les conditions expérimentales pouvaient donner la même réponse sur la courbe force-déplacement et l'empreinte. L’identification des propriétés du matériau doit être basée sur des comparaisons avec des simulations considérant la géométrie réelle de l'indenteur, la souplesse de la machine et le tilt de surface de l'échantillon. Les stratégies développées permettent de faire des identifications sur le comportement du verre silico-sodo-calcique. Dans la famille du verre silicaté, le verre silico-sodo-calcique a un comportement plastique semblable au verre de silice qui est affecté non seulement par le mécanisme de cisaillement mais aussi par la densification. Il est essentiel donc d'étudier le comportement densification/cisaillement du verre de silice car il est largement discuté dans la littérature. La comparaison des résultats de simulation par plusieurs modèles avec les courbes force-déplacement et les images d'empreinte a montré que la modélisation de la densification, en prenant en compte l'écrouissage et la modification des modules élastiques, est suffisante pour décrire le comportement des verres silicatés. Enfin, les connaissances sur les simulations des essais à chargement ponctuel et la modélisation du comportement du verre ont guidé une étude sur les effets du gradient de propriétés dans les verres trempées thermiquement et chimiquement. / The mechanical behavior of soda-lime-silica glass subjected to contact damage can be improved by tempering. The effects of tempering created tailor properties and the glass behavior more complicated. Therefore, this work studied the modeling and simulation of non-tempered and tempered glasses subjected to the nano-indentation and nano-scratch tests. The finite element simulation tools have been primarily validated and the metallic glass was chosen for the studies because of its known plastic behavior. By comparing with the experimental data, we have observed that the parameters of material model and the experimental conditions could give the same response on load displacement curve and imprint. The evaluation of material properties must be based on the comparisons with fully modeled simulation considering the real geometry of the indenter, the compliance of the instrument and the tilting of the sample surface. The developed strategies allow identification of soda-lime-silica glass behavior. Similar to that of silica glass, the plastic behavior of soda-lime-silica glass is not only affected by the shear mechanism but also the densification. Hence, it is essential to study the shear/densification behavior of silica glass as it is widely discussed in the literature. The comparison of simulation results by several models with the load displacement data and the images of imprint showed that the modeling of densification by taking into account the hardening and the change in elastic moduli is sufficient for describing the behavior of silicate glasses. Finally, the knowledge about the simulation of the contact loading tests and the modeling of glass behavior guided a study on the coupling of tailored properties effects in the thermally and chemically tempered glasses.