Diffraction des rayons X cohérents appliquée à la physique du métal

The mechanical properties of small objects deviate strongly from the bulk behaviour, as soon as their size becomes comparable or smaller to the dislocation mean free path (typically a few microns). For instance, their elastic limit increase when their size is reduced. On a another hand, nanostructures are exposed to strong constraints, such as that imposed by epitaxial relations with a substrate. Altogether, there is a clear need (supported by industrial interests) for a better understanding of the fundamental phenomena that govern the mechanical properties of materials at the nanometre scale. The lab SIMaP is engaged in this research and tackles the topic by combining sample growth, laboratory characterisation methods, numerical models, and synchrotron techniques.One key experiment developed by our team is the in situ characterisation of the deformation mechanism induced by an AFM tip on a nanostructure using Coherent X-ray Diffraction (CXD). CXD is an emerging synchrotron technique that allows the detailed measurement of the crystal structure,including strain field and defects, of micro/nano-objects. In principle, a 3D image of the structure of the sample can be obtained from the CXD data. However, it remains difficult in realistic cases, when the strain is very inhomogeneous and crystal defects numerous. The problem is further complicated by the wavefront of the beam, which is usually far from a plane wave, particularly when the AFM tip shadows part of the incoming beam. In this PHD work, it is demonstrated that a 3D image of the object can be reconstructed in case of moderately complex systems.Les propriétés mécaniques des petits objets diffèrent fortement de celles du matériau massif à partir du moment où leurs dimensions deviennent comparables ou inférieures à celles du libre parcours moyen des dislocations (typiquement quelques microns). Par exemple, leur limite élastique augmente quand leur taille diminue. D'autre part les nanostructures sont exposées à de fortes contraintes, telles que celles imposées par les relations épitaxiales avec le substrat.Il existe donc un besoin clair (supporté par des intérêts industriels) d'une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui gouvernent les propriétés des matériaux aux échelles nanométriques.Le laboratoire SIMAP est engagé dans ce domaine de recherche et s'y attelle en combinant croissance d'échantillons, méthodes de caractérisation en laboratoire, méthodes numériques et techniques synchrotron.Une des expériences clés développées par notre équipe est la caractérisation in situ des mécanismes de déformation induits par une pointe d'AFM sur une nanostructure par la diffraction des rayons X cohérents. La diffraction des rayons-X cohérents est une technique émergente de synchrotron; qui permet la mesure détaillée de la structure du cristal, y compris le champ de déformation 3D et les défauts potentiels dans des objets micro ou nano structurés. En principe, une image 3D de la structure de l'échantillon peut-être obtenue à partir des données de diffraction cohérente. En pratique, reconstruire une image de l'échantillon peut s'avérer délicat en présence d'un champ de déformation inhomogène et de nombreux défauts cristallins. Le profil du front d'onde qui est généralement assez éloigné d'une onde plane, peut encore ajouter une complication supplémentaire au problème. Dans ces travaux de thèse, il est démontré qu'une image 3D de l'objet peut être reconstruite dans le cas de systèmes modérément complexes

Diffraction des rayons X cohérents appliquée à la physique du métal

The mechanical properties of small objects deviate strongly from the bulk behaviour, as soon as their size becomes comparable or smaller to the dislocation mean free path (typically a few microns). For instance, their elastic limit increase when their size is reduced. On a another hand, nanostructures are exposed to strong constraints, such as that imposed by epitaxial relations with a substrate. Altogether, there is a clear need (supported by industrial interests) for a better understanding of the fundamental phenomena that govern the mechanical properties of materials at the nanometre scale. The lab SIMaP is engaged in this research and tackles the topic by combining sample growth, laboratory characterisation methods, numerical models, and synchrotron techniques.One key experiment developed by our team is the in situ characterisation of the deformation mechanism induced by an AFM tip on a nanostructure using Coherent X-ray Diffraction (CXD). CXD is an emerging synchrotron technique that allows the detailed measurement of the crystal structure,including strain field and defects, of micro/nano-objects. In principle, a 3D image of the structure of the sample can be obtained from the CXD data. However, it remains difficult in realistic cases, when the strain is very inhomogeneous and crystal defects numerous. The problem is further complicated by the wavefront of the beam, which is usually far from a plane wave, particularly when the AFM tip shadows part of the incoming beam. In this PHD work, it is demonstrated that a 3D image of the object can be reconstructed in case of moderately complex systems.Les propriétés mécaniques des petits objets diffèrent fortement de celles du matériau massif à partir du moment où leurs dimensions deviennent comparables ou inférieures à celles du libre parcours moyen des dislocations (typiquement quelques microns). Par exemple, leur limite élastique augmente quand leur taille diminue. D'autre part les nanostructures sont exposées à de fortes contraintes, telles que celles imposées par les relations épitaxiales avec le substrat.Il existe donc un besoin clair (supporté par des intérêts industriels) d'une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui gouvernent les propriétés des matériaux aux échelles nanométriques.Le laboratoire SIMAP est engagé dans ce domaine de recherche et s'y attelle en combinant croissance d'échantillons, méthodes de caractérisation en laboratoire, méthodes numériques et techniques synchrotron.Une des expériences clés développées par notre équipe est la caractérisation in situ des mécanismes de déformation induits par une pointe d'AFM sur une nanostructure par la diffraction des rayons X cohérents. La diffraction des rayons-X cohérents est une technique émergente de synchrotron; qui permet la mesure détaillée de la structure du cristal, y compris le champ de déformation 3D et les défauts potentiels dans des objets micro ou nano structurés. En principe, une image 3D de la structure de l'échantillon peut-être obtenue à partir des données de diffraction cohérente. En pratique, reconstruire une image de l'échantillon peut s'avérer délicat en présence d'un champ de déformation inhomogène et de nombreux défauts cristallins. Le profil du front d'onde qui est généralement assez éloigné d'une onde plane, peut encore ajouter une complication supplémentaire au problème. Dans ces travaux de thèse, il est démontré qu'une image 3D de l'objet peut être reconstruite dans le cas de systèmes modérément complexes

Coherent X-ray diffraction applied to metal physics

Les propriétés mécaniques des petits objets diffèrent fortement de celles du matériau massif à partir du moment où leurs dimensions deviennent comparables ou inférieures à celles du libre parcours moyen des dislocations (typiquement quelques microns). Par exemple, leur limite élastique augmente quand leur taille diminue. D'autre part les nanostructures sont exposées à de fortes contraintes, telles que celles imposées par les relations épitaxiales avec le substrat.Il existe donc un besoin clair (supporté par des intérêts industriels) d'une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui gouvernent les propriétés des matériaux aux échelles nanométriques.Le laboratoire SIMAP est engagé dans ce domaine de recherche et s'y attelle en combinant croissance d'échantillons, méthodes de caractérisation en laboratoire, méthodes numériques et techniques synchrotron.Une des expériences clés développées par notre équipe est la caractérisation in situ des mécanismes de déformation induits par une pointe d'AFM sur une nanostructure par la diffraction des rayons X cohérents. La diffraction des rayons-X cohérents est une technique émergente de synchrotron; qui permet la mesure détaillée de la structure du cristal, y compris le champ de déformation 3D et les défauts potentiels dans des objets micro ou nano structurés. En principe, une image 3D de la structure de l'échantillon peut-être obtenue à partir des données de diffraction cohérente. En pratique, reconstruire une image de l'échantillon peut s'avérer délicat en présence d'un champ de déformation inhomogène et de nombreux défauts cristallins. Le profil du front d'onde qui est généralement assez éloigné d'une onde plane, peut encore ajouter une complication supplémentaire au problème. Dans ces travaux de thèse, il est démontré qu'une image 3D de l'objet peut être reconstruite dans le cas de systèmes modérément complexes.The mechanical properties of small objects deviate strongly from the bulk behaviour, as soon as their size becomes comparable or smaller to the dislocation mean free path (typically a few microns). For instance, their elastic limit increase when their size is reduced. On a another hand, nanostructures are exposed to strong constraints, such as that imposed by epitaxial relations with a substrate. Altogether, there is a clear need (supported by industrial interests) for a better understanding of the fundamental phenomena that govern the mechanical properties of materials at the nanometre scale. The lab SIMaP is engaged in this research and tackles the topic by combining sample growth, laboratory characterisation methods, numerical models, and synchrotron techniques.One key experiment developed by our team is the in situ characterisation of the deformation mechanism induced by an AFM tip on a nanostructure using Coherent X-ray Diffraction (CXD). CXD is an emerging synchrotron technique that allows the detailed measurement of the crystal structure,including strain field and defects, of micro/nano-objects. In principle, a 3D image of the structure of the sample can be obtained from the CXD data. However, it remains difficult in realistic cases, when the strain is very inhomogeneous and crystal defects numerous. The problem is further complicated by the wavefront of the beam, which is usually far from a plane wave, particularly when the AFM tip shadows part of the incoming beam. In this PHD work, it is demonstrated that a 3D image of the object can be reconstructed in case of moderately complex systems

Imagerie par diffraction des rayons X cohérents de nanoprécipités: rôle des réflexions de surstructure

International audienceCoherent precipitation of ordered phases is responsible for providing exceptional hightemperature mechanical properties in a wide range of compositionally complex alloys (CCAs).Ordered phases are also essential to enhance the magnetic or catalytic properties of alloyednanoparticles. The present work aims at demonstrating the relevance of Bragg coherentdiffraction imaging (BCDI) to study bulk and thin film samples or isolated nanoparticlescontaining coherent nanoprecipitates / ordered phases. Crystals of a few tens of nanometres aremodelled with realistic interatomic potentials and relaxed after introduction of coherent orderednanoprecipitates. Diffraction patterns from fundamental and superstructure reflections arecalculated in the kinematic approximation and used as input to retrieve the strain fields usingalgorithmic inversion. We first tackle the case of single nanoprecipitates and show that the strainfield distribution from the ordered phase is retrieved very accurately. Then, we investigate theinfluence of the order parameter S on the strain field retrieved from the superstructure reflectionsand evidence that a very accurate strain distribution can be retrieved for partially ordered phaseswith large and inhomogeneous strains. In a subsequent section, we evaluate the relevance ofBCDI for the study of systems containing many precipitates and demonstrate that the techniqueis relevant for such systems. Finally, we discuss the experimental feasibility of using BCDI toimage ordered phases, in the light of the new possibilities offered by the 4 th generationsynchrotron sources

Imagerie par diffraction des rayons X cohérents de nanoprécipités: rôle des réflexions de surstructure

International audienceCoherent precipitation of ordered phases is responsible for providing exceptional hightemperature mechanical properties in a wide range of compositionally complex alloys (CCAs).Ordered phases are also essential to enhance the magnetic or catalytic properties of alloyednanoparticles. The present work aims at demonstrating the relevance of Bragg coherentdiffraction imaging (BCDI) to study bulk and thin film samples or isolated nanoparticlescontaining coherent nanoprecipitates / ordered phases. Crystals of a few tens of nanometres aremodelled with realistic interatomic potentials and relaxed after introduction of coherent orderednanoprecipitates. Diffraction patterns from fundamental and superstructure reflections arecalculated in the kinematic approximation and used as input to retrieve the strain fields usingalgorithmic inversion. We first tackle the case of single nanoprecipitates and show that the strainfield distribution from the ordered phase is retrieved very accurately. Then, we investigate theinfluence of the order parameter S on the strain field retrieved from the superstructure reflectionsand evidence that a very accurate strain distribution can be retrieved for partially ordered phaseswith large and inhomogeneous strains. In a subsequent section, we evaluate the relevance ofBCDI for the study of systems containing many precipitates and demonstrate that the techniqueis relevant for such systems. Finally, we discuss the experimental feasibility of using BCDI toimage ordered phases, in the light of the new possibilities offered by the 4 th generationsynchrotron sources

Large scale 3-dimensional atomistic simulations of screw dislocations interacting with coherent twin boundaries in Al, Cu and Ni under uniaxial and multiaxial loading conditions

Large scale 3D atomistic simulations are performed to study the interaction between a curved dislocation with a dominant screw character and a Coherent Twin Boundary (CTB). Three FCC metals (Al, Cu and Ni) are addressed using 6 embedded-atom method (EAM) potentials. The reaction mechanisms are studied first under uniaxial stress showing that transmission mechanism and critical transmission stress depend on the material considered and differ from results reported in quasi- 2D simulations. Then, the influence of multiaxial stresses including shear components in the CTB is investigated. It is shown that the influence of the loading conditions, which can be represented in terms of the Escaig stress, is material dependent. In Al and Cu, the critical transmission stress is largely dependent on the Escaig stress while only mildly for Ni. The presence of a shear component in the CTB tends to increase the critical transmission stress for all three materials. The absorption and desorption mechanisms of the screw dislocation are correlated with a potential energy barrier. (C) 2019 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd

Signature of dislocations and stacking faults of face-centred cubic nanocrystals in coherent X-ray diffraction patterns: a numerical study

International audienceCrystal defects induce strong distortions in diffraction patterns. A single defect alone can yield strong and fine features that are observed in high-resolution diffraction experiments such as coherent X-ray diffraction. The case of face-centred cubic nanocrystals is studied numerically and the signatures of typical defects close to Bragg positions are identified. Crystals of a few tens of nanometres are modelled with realistic atomic potentials and ‘relaxed’ after introduction of well defined defects such as pure screw or edge dislocations, or Frank or prismatic loops. Diffraction patterns calculated in the kinematic approximation reveal various signatures of the defects depending on the Miller indices. They are strongly modified by the dissociation of the dislocations. Selection rules on the Miller indices are provided, to observe the maximum effect of given crystal defects in the initial and relaxed configurations. The effect of several physical and geometrical parameters such as stacking fault energy, crystal shape and defect position are discussed. The method is illustrated on a complex structure resulting from the simulated nanoindentation of a gold nanocrystal