De la nucléation aux interfaces : croissance de phases intermétalliques complexes sur substrats cristallins

From nucleation to interfaces : growth of complex intermetallic phases on crystalline substrates

• Auteur / Autrice : Dominique Dubaux
• Direction : Julian Ledieu, Muriel Sicot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julian Ledieu, Muriel Sicot, Valérie Demange, Frédéric Chérioux, Amandine Bellec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Demange, Frédéric Chérioux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion au plasma

Épitaxie

Couches minces

Métaux -- Solidification rapide

Surfaces

Composés intermétalliques

Mots clés libres

Surfaces et interfaces

Hypertrempe sur roue

Alliages métalliques complexes

Films minces

Épitaxie

Fusion à arc

Thin films

Epitaxy

Complex metallic alloys

Surfaces and interfaces

Arc melting

Melt spinning

Résumé

Les alliages métalliques complexes (CMA) désignent des composés intermétalliques à grande maille (voire infinie pour les quasicristaux), présentant une sous-structure en agrégats assemblés suivant des règles précises. Les CMA possèdent des propriétés physico-chimiques, notamment de surface qui peuvent être intéressantes pour un certain nombre d'applications de laboratoire et industrielles. Nous mentionnerons par exemple les propriétés catalytiques mais aussi tribologiques et anticorrosives. Pour fonctionnaliser ces matériaux, il faut pouvoir les mettre en œuvre sous forme de couches minces ou dans des composites. La qualité des surfaces mais aussi des interfaces entre ces CMA et le réseau cristallin du substrat ou de la matrice est alors essentielle. Dans notre travail de recherche, nous avons suivi, à l'échelle du nanomètre, la formation de phases intermétalliques complexes aux propriétés spécifiques de surface, par dépôt de fer sur des substrats unaire Al(100) et binaire Al9Co2(001). Les systèmes ciblés sont identifiés par des techniques expérimentales de surface (diffraction d'électrons lents, microscopie à effet tunnel, spectroscopie de photoémission induite par des rayons X). De ces analyses, il résulte que les phases formées sont stabilisées par épitaxie, comme la phase métastable Al9Fe2, la phase de haute température Al8Fe5, la phase mixte Al9(Fe,Co)2 et l'approximant Al13Fe4 d'une phase quasicristalline. Nous avons caractérisé les structures et les propriétés des interfaces formées entre CMA et substrats par microscopie électronique en transmission haute résolution, afin d’obtenir une description atomique dans le plan de l’interface. Ces résultats sont complétés par des calculs ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Nous avons également tenté la synthèse directe de l'intermétallique métastable Al9Fe2 par fusion à arc et hypertrempe sur roue puis avons caractérisé les phases obtenues au cours de ces processus par diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et microscopie électronique en transmission.

Complex metal alloys (CMA) refer to intermetallic compounds with large to giant unit cell (even "infinite" for quasicristals), presenting a sub-structure in aggregates assembled according to precise rules. CMA exhibit physical and chemical properties, in particular of the surface, which may be of interest for a certain number of laboratory and industrial applications. We will mention for example the catalytic, tribological and anticorrosive properties. To functionalize these materials, it is necessary to process them in the form of thin layers or in composites. The quality of the surfaces but also of the interfaces between these CMA and the crystal lattice of the substrate or of the matrix is then essential.In our studies, we have followed, at the nanometer scale, the formation of complex intermetallic phases, with specific surface properties, by Fe deposition on unary Al(100) and binary Al9Co2(001) substrates. The resulting systems are characterised by experimental surface techniques (low energy electron diffraction, scanning tunneling microscopy, X-ray photoemission spectroscopy). From these analyses, it follows that the phases formed are stabilized by epitaxy. This includes the metastable Al9Fe2 phase, the high temperature Al8Fe5 phase, the mixed Al9(Fe,Co)2 phase and the Al13Fe4 quasicrystal approximant. We have characterised the structures and properties of the interfaces formed between the CMA and the substrates by high-resolution transmission electron microscopy in order to obtain an atomic description of the interface. These results have been supplemented by ab initio calculations using density functional theory. We have also attempted the direct synthesis of the metastable intermetallic Al9Fe2 by arc melting and melt spinning and then characterised the phases obtained during these processes by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopies.