Simulations 3D par dynamique des dislocations du rôle des interfaces dans la plasticité de milieux confinés et applications aux LEDs

par Hareesh Tummala

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Marc Fivel et de Thomas Pardoen.

Le président du jury était Laurent Delannay.

Le jury était composé de Marc Verdier, Anne-Marie Habraken.

Les rapporteurs étaient Stéphane Berbenni, Alexander Hartmaier.


  • Résumé

    La déformation plastique des matériaux cristallins classiques est surtout dominée par des dislocations et leurs interactions mutuelles. Pour les métaux nanocrystallines (nc), des mécanismes de joints de grains différents peuvent exister en plus des mécanismes basés sur la dislocation. La dépendance à l’égard, entre autres, la forme du grain, l’orientation des grains, la densité de dislocations initiale, la structure des joints de grains et conditions extérieures favorise un ou deux mécanismes de déformation par rapport aux autres. Ces mécanismes dominants dictent la réponse globale du métal nc. L’influence des caractéristiques de microstructure doit être mieux comprise individuellement et collectivement. Dans le cadre de cette thèse, des simulations de dynamique des dislocations discrète 3D (DD) ont été effectuéessur trois grains individuels de taille micronique de même volume, mais qui diffèrent leurs rapports d’aspect. La diminution de la localisation de la déformation plastique avec l’augmentation de rapport d’aspect du grain à été observée. En raison du mécanisme inter-dérapant amélioré, des grains ayant rapport de un aspect plus elevé. La réponse plastique anisotrope des grains allongés a été quantifiée en terme d’ampleur du back-stress sur chaque système de glissement. En outre, une version polycristalline de dynamique des dislocations couple avec des éléments finis a été utilisée pour étudier le comportement mécanique des couches minces de palladium libre avec des grains colonnaires. La densité de dislocations initiale prise en compte dans les simulations est proche de celle mesurée expérimentalement. Les simulationsde DD d’un polycristal avec 12 grains hexagonaux de tailles égales reproduisent correctement le comportement d’écrouissage. L’augmentation de la résistance observée avec la diminution de l’épaisseur du film a été capturé en utilisant une distribution de taille de grains hétérogène du polycristal. L’élément essentiel est que la probabilité de grains plus petits sans dislocations initiales augmente avec la diminution de l’épaisseur du film. La différence dans les contributions en back-stress résultant de la distribution de la taille des grains dans le film a également été quantifiée. Enfin, en adaptant le modèle de Read, l’influence d’une dislocation statique électriquement chargée sur les propriétés électriques des semi-conducteurs a été étudiée.

  • Titre traduit

    3D Discrete Dislocation Dynamics simulations of the role of interfaces in confined materials - : application to electronic devices such as LEDs


  • Résumé

    Plastic deformation of classical crystalline materials is mostly dominated by dislocations and their mutual interactions. In nanocrystalline (nc) metals, different grain boundary mechanisms may exist in addition to the dislocation-based mechanisms. The dependency on, among other, the grain shape, grain orientation, initial dislocation density, grain boundary structure and external conditions will promote one or two deformation mechanisms over others. These dominant mechanisms dictate the overall response of nc metal. The influence of the microstructural features needs to be better understood individually and collectively. In the scope of the thesis, 3D discrete dislocation dynamics (DD) simulations were performed on three micron-sized single grains of same volume but differing in aspect ratios. Localization of plastic deformation was observed to decrease with increasing grain aspect ratio. Due to the enhanced cross-slip mechanism, grains with higher aspectratio exhibit a softer behavior. The anisotropic plastic response of elongated grains was quantified interms of the magnitude of back-stress on each slip system. Further, a polycrystalline version of dislocation dynamics code coupled with a finite elements was used, to study the mechanical behavior of free-standing palladium thin films with columnar grains. The initial dislocation density considered in the simulations is close to the one measured experimentally. DD simulations of a polycrystal with 12 equally sized hexagonal grains properly reproduce the strain hardening behavior. The increase in strength observed with decreasing film thickness was captured using a heterogenous grain size distribution of the polycrystal. The key element is that the probability of smaller grains with no inital dislocations is increasingwith decreasing thickness of the film. Difference in the back-stress contributions arising from the grain size distribution in the film was also quantified. Finally, by adapting Read’s model, the influence of a static, electrically-charged dislocation on electrical properties in semiconductors was studied.


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