Cette thèse porte sur la déformation de deux phases minérales majeures du manteau inférieur de la Terre : la bridgmanite et (Mg,Fe)O. Ils représentent près de 95% du manteau inférieur, et leur rhéologie est de première importance en vue de mieux comprendre la convection mantellique. La rhéologie de ces phases a été modélisée grâce à l’utilisation de techniques de calcul numériques et analytiques afin de déterminer leur réponse en fluage (c’est-à-dire l’écoulement stationnaire sous une charge constante).Les agents pertinents de la déformation en fluage sont identifiés et leur comportement est modélisé à l’échelle du cristal. Les dislocations étant les porteurs principaux de la déformation plastique, le fluage a donc été modélisé comme résultant du glissement et/ou de la montée (contrôlée par la diffusion) des dislocations. Le fluage de (Mg,Fe)O résulte d’une combinaison de glissement et de montée des dislocations. Afin de modéliser ce comportement à l’échelle mésoscopique, une technique de dynamique des dislocations 2,5D a été employée. Dans (Mg,Fe)O, le glissement des dislocations est responsable de la déformation plastique, mais la vitesse de fluage est contrôlée par la montée. Nos calculs de vitesses de fluage permettent d’estimer la viscosité de (Mg,Fe)O dans les conditions des couches profondes du manteau inférieur. Pour la bridgmanite, nous proposons un fluage impliquant la montée pure des dislocations dont la vitesse de fluage est calculée sur la base d’un modèle analytique de la littérature. Nous en déduisons la vitesse de fluage de la bridgmanite le long d’un géotherme, valeurs que l’on peut comparer aux observables disponibles actuellement. / This thesis work addresses the deformation behavior of two major mineral phases of the Earth’s lower mantle: bridgmanite and (Mg, Fe)O. They constitute ~90-95% of the lower mantle and their rheology is of primary importance for a better understanding of mantle convection. The rheological properties of these phases were modeled through the implementation of numerical and analytical techniques, in order to assess their creep behavior (i.e. steady-state deformation under a constant applied stress).The relevant deformation agents driving creep are identified and then modeled at the single crystal scale. In this framework, dislocations are amongst the main carriers of crystal plasticity and the creep behavior of the considered minerals can therefore be assessed by considering dislocation glide and diffusion-driven dislocation climb. (Mg,Fe)O creep is driven by the interplay between glide and climb and in order to model it, a 2.5-dimensional (2.5D) dislocation dynamics (DD) approach has been deployed. 2.5D-DD is a numerical technique which addresses the collective behavior of dislocations at the mesoscale. It is demonstrated that dislocation glide is responsible for the plastic deformation and climb is the rate-limiting mechanism. From the modeled creep strain rates it was possible to estimate viscosity of (Mg,Fe)O at lowermost mantle conditions. As for bridgmanite a pure climb mechanism is proposed, and the creep strain rates were evaluated according to a physics-based analytical creep model. The viscosity of bridgmanite along a geotherm is retrieved and compared with the available observables.

Les travaux exposés dans cet ouvrage portent sur le comportement mécanique de l'oxyde de magnésium (MgO) sous nanoindentation. L'étude est plus particulièrement focalisée sur les mécanismes élémentaires de déformation précédant et accompagnant le pphénomène de pop-in. L'observation de la surface autour des zones indentées, et en particulier des lignes de glissement, a été réalisée par microscopie à force atomique (AFM). La structure en volume des dislocations nucléées lors de l'essai de nanoindentation a été explorée par une technique de tomographie couplant polissage mécano-chimique (CMP) et nano-attaque chimique. Ces études expérimentales ont été confrontées à des simulations numériques menées à l'aide d'un code de dynamique de dislocations discrètes (DDD) couplé à un code éléments finis. Une étude bibliographique présentant en particulier les mécanismes de plasticité associés au phénomène de pop-in est tout d'abord proposée. Des expériences menées sur des échantillons présentant une très faible concentration de défauts sont ensuite présentées. Les résultats expérimentaux montrent que contrairement à l'idée communément admise, la déformation précédant le pop-in n'est pas nécessairement purement élastique. Par la suite, l'introduction contrôlée de défauts (défauts ponctuels, dislocations) dans le matériau a permis d'étudier leur influence sur les mécanismes initiaux de plasticité. Enfin, les simulations numériques ont permis d'accéder au comportement des dislocations individuelles dans le champ de contraintes complexe généré par l'indenteur tout au long d'un cycle d'indentation. Ces résultats apportent un éclairage sur les comportements observés expérimentalement.

Présentes dans de nombreux dispositifs comme les jonctions tunnel magnétiques ou les systèmes cluster/oxyde utilisés en catalyse hétérogène, les interfaces métal/oxyde présentent des propriétés spécifiques venant du raccordement entre deux matériaux de structure atomique et surtout de structure électronique très différentes. Ce projet de recherche repose sur l'étude, par diverses techniques de spectroscopies de photoémission, de la géométrie et de la structure électronique aux interfaces MgO/Ag(001) pour des épaisseurs d'oxyde subnanométriques. Nous avons, tout d'abord, montré que la valeur de la hauteur de la barrière Schottky (SBH) à l'interface pouvait être décrite grâce au modèle de Schottky-Mott et d'un effet de polarisation induit par le MgO. Ensuite, une attention particulière a été portée sur la capacité à contrôler la hauteur de barrière Schottky à l'interface MgO/métal en modifiant les conditions de préparation/traitement de la couche d'oxyde. Enfin, l'étude par diffraction de photoélectrons de films minces de MgO dans un régime de très faible épaisseur a révélé des propriétés originales de l'interface MgO/métal quant aux propriétés de relaxation électronique, permettant ainsi d'obtenir une résolution couche par couche de l'interface MgO/Ag(001). Cette résolution expérimentale, confrontée à des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), a été utilisée pour démontrer la possibilité d'intercaler des atomes de Mg à l'interface MgO/Ag(001). La variation de travail de sortie du système induite par la présence de ces impuretés est corrélée à la modification des effets de polarisation induits par le MgO.

Dans cette étude, nous proposons d’utiliser la compression in situ dans le MET afin de caractériser les propriétés mécaniques de nanoparticules céramiques dont la taille caractéristique est de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Nous appliquerons cette méthode à des nanocubes monocristallins de MgO, une céramique modèle dont la plasticité est bien connue dans le matériau massif. Les essais de nanocompression montrent que les nanocubes de MgO se déforment de façon homogène jusqu’à de grandes déformations (>50%) sans fissure apparente. L’analyse des résultats est assistée par des méthodes de corrélation d’images numériques et simulations de type dynamique moléculaire. Le mécanisme de déformation et l'effet de taille sur la limite élastique sont identifiés. Dans une deuxième partie de la thèse, nous présentons une étude sur des nanoparticules d’alumine de transition compactée en CED (Cellule à Enclumes en Diamant) à température ambiante, sous plusieurs pressions (5 GPa, 15 GPa et 20 GPa). Des lames minces préparées par FIB ont été étudiées en MET. Des images HRTEM montrent une texture cristallographique qui devient plus importante à des pressions plus élevées. Une orientation cristallographique préférentielle est observée, avec les plans {220} de la phase gamma de l’alumine la plupart du temps parallèles à la surface de contact avec une particule voisine. Ce comportement mécanique est cohérent avec un système de glissement, connu pour les structures spinelles. Une corrélation de ce comportement avec les tests in situ MET réalisés sur des nanoparticules similaires, par Emilie Calvié lors de sa thèse, est présentée. Enfin, des clichés de diffraction de type Debye Scherrer sont réalisés sur ces lames minces de nanoparticules d’alumine de transition compactées en CED à différentes pressions. L’analyse quantitative de ces clichés montre une transformation de phase de ces nanoparticules d’alumine de phase gamma en phase delta, de manière croissante avec la pression. / In this study, we propose an innovative mechanical observation protocol of ceramics nanoparticles in the 100nm size range. This Protocol consists of in situ TEM nanocompression tests of isolated nanoparticles. Load–real displacements curves, obtained by Digital Image Correlation, are analyzed and these analyses are correlated with Molecular Dynamics simulations. By this protocol a constitutive law with its mechanical parameters (Young modulus, Yield stress...) of the studied material at the nano-scale can be obtained. In situ TEM nano-compression tests on magnesium oxide nanocubes are performed. Magnesium oxide is a model material and its plasticity is very well known at bulk. The MgO nanocubes show large plastic deformation, more than 50% of plastic strain without any fracture. The TEM results are correlated to MD simulations and the deformation mechanism can be identified.The size effect and the electron beam effect on the yield strength are investigated. In a second part of the dissertation, we present a study on transition alumina nanoparticles compacted in a Diamond Anvil Cell at different uniaxial pressures. Thin Foils of these compacted nanoparticles are prepared by FIB for HRTEM Observations. Their analysis reveals the plastic deformation of the nanoparticles. The crystallographic texture observed inthese compacted nanoparticles in DAC shows a preferred orientation of the {110} lattice planes, orientated perpendicular to the compression direction. This is compatible with the slip system. This argument was reinforced with a preferred orientation of slip bands observed during in situ TEM nano-compression tests. Moreover, electron diffraction patterns (Debye Scherrer) analysis on these compacted transition alumina nanoparticles reveals the decrease of the presence of gamma-alumina and the increase of delta-alumina with increasing pressure. This reveals the phase transformation with increasing pressure from gamma to delta* alumina.

L'objet de ce travail était l'étude de l'oxydation d'un alliage aluminium-5% magnésium à l'état liquide sous oxygène, par analyse thermogravimétrique, en s'appuyant sur celle du magnésium à l'état solide. Dans la plupart des cas, la vitesse absolue d'une réaction est proportionnelle au produit de la réactivité de croissance et de la fonction d'espace caractérisant les dimensions des zones réactionnelles mises en jeu dans le mécanisme de croissance. Nous avons vérifié que c'est le cas de la réaction étudiée ici c'est-à-dire la formation de l'oxyde de magnésium. Les mécanismes de formation de la magnésie dépendent de la pression partielle d'oxygène fixée dans l'enceinte réactionnelle, l'allure des courbes cinétiques ainsi que les morphologies des oxydes formés étant très différentes selon la pression d'oxygène. Sous de faibles pressions partielles, la réaction a lieu en phase gaz après évaporation du magnésium. Dans le cas de l'alliage, un mécanisme de formation de l'oxyde en phase gaz a été proposé. Ce modèle permet de rendre compte de l'influence de la pression partielle sur la vitesse de formation par unité de surface d'évaporation de la magnésie. Dans le domaine de fortes pressions d'oxygène et pour le magnésium solide, une modélisation physico-chimique décrivant les mécanismes de croissance de la magnésie et prévoyant l'évolution au cours du temps de la fonction d'espace a été proposée et validée par confrontation aux résultats expérimentaux. Dans le cas de l'alliage, les courbes cinétiques obtenues dans des conditions isothermes et isobares se sont révélées non reproductibles. Une méthodologie d'étude, basée sur l'utilisation de la méthode des décrochements, a rendu possible la modélisation de la croissance de l'oxyde. En effet, cette méthode a permis de déterminer l'origine de la non reproductibilité des courbes cinétiques, à savoir l'évolution aléatoire de la fonction d'espace, et d'obtenir les variations de la réactivité de croissance avec la pression d'oxygène. En nous appuyant sur la modélisation proposée pour le magnésium, nous avons proposé un modèle physico-chimique décrivant les mécanismes de croissance de l'oxyde et rendant compte de l'influence de la pression d'oxygène

Ce travail de thèse s’est inscrit dans un cadre fondamental d’étude de la formation contrôlée d’oxydes en couches ultra-minces. Un bâti ultra-vide dédié à la croissance contrôlée de ces oxydes et à leur analyse in-situ (STM-STS, AES et LEED) a été développé. Par une méthode originale de phases alternées de dépôt d’une monocouche atomique de Mg et oxydation à RT, les mécanismes impliqués dans la formation de deux systèmes à fort potentiel applicatif : MgO/Si(100) et MgO/Ag(111) ont été étudiés .Le système MgO/Si(100) a révélé la formation d’une couche ultra-mince de Mg2Si à l’interface entre le MgO et le substrat. En bon accord avec les calculs thermodynamiques réalisés, une cristallisation de cette couche interfaciale dans un processus de dissociation partielle du Mg2Si en MgO à température ambiante a été observée. Identifiée ex-situ par TEM, la relation d’épitaxie associée à cette cristallisation a permis de conclure à la formation d’une hétérostructure MgO / Mg2Si (11-1) / Si(001), témoignant d’une grande qualité d’interface avec le silicium et de la formation d’une couche ultra-mince et amorphe de MgO homogène et isolante (gap de 6 eV).Pour le système MgO/Ag(111), nos résultats expérimentaux couplés aux calculs ab initio de nos partenaires du LAAS ont révélé l’absence de formation d’un alliage de surface ainsi qu’une croissance « liquid-like » du magnésium à RT. Un double empilement O/Mg/O/Mg/Ag(111) suivi d’un recuit UHV à 430°C a ensuite permis la stabilisation d’une couche ultra-mince polaire de MgO(111) qui a été caractérisée par LEED et STM-STS. Les propriétés physico-chimiques et origines possibles de stabilité de cet oxyde polaire ont ensuite été discutées. / This PhD work was dedicated to studying the fundamental mechanisms driving the controlled growth of ultra-thin oxide films. An experimental set-up was designed to finely control the growth parameters under UHV conditions while allowing the study of such oxide layers in situ with STM-STS, AES and LEED. Using an original method based on alternate cycles of Mg monolayer adsorption and RT oxidation, we focused on the formation of systems exhibiting a wide range of potential applications: MgO/Si(100) and MgO/Ag(111). The MgO/Si(100) system revealed the growth of an ultra-thin Mg2Si layer at the interface between the MgO and the silicon. In agreement with thermodynamic calculations, a crystallization of this interlayer driven by a partial decomposition of the Mg2Si to a MgO oxide was shown to occur at RT. From ex situ TEM experiments, the involved epitaxial relationship highlighted the formation of an MgO / Mg2Si (11-1) / Si(001) heterostructure. A sharp interface with the silicon was formed, as much as an ultra-thin and amorphous MgO layer exhibiting both a good homogeneity and a high insulating character (bandgap of 6 eV).In the MgO/Ag(111) system, no interfacial alloy formation and a « liquid-like » growth for the Mg were evidenced at RT, using our experimental results coupled with the ab initio calculations performed by our co-workers at LAAS laboratory. Later, a double-layering O/Mg/O/Mg/Ag(111) grown at RT followed by UHV annealing at 430°C resulted in the stabilization of a polar MgO(111) ultra-thin film, which was characterized using LEED and STM-STS. The physicochemical properties of this polar oxide and the potential origin of its stability were discussed.