Approche in silico pour modéliser et caractériser les changements microstructuraux induits par irradiation dans les matériaux - Application au fer et au nickel

In silico approach to model and characterize radiation-induced microstructural changes in materials - Fe and Ni as test cases

• Auteur / Autrice : Mohamed El bakouri el haddaji
• Direction : Aurélien Debelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 07/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Charlotte Becquart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Pizzagalli, Clara Grygiel, Gihan Velisa, Alexandre Boulle, Christophe Ortiz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Pizzagalli, Clara Grygiel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Structure cristalline (solides)

Cristaux -- Défauts

Bombardement ionique

Mots clés libres

Faisceaux d'ions

Défauts

Structure cristalline

Modélisation

Ion beams

Defects

Crystalline structure

Modelling

Résumé

La recherche fondamentale et les applications techniques mettant en jeu des faisceaux d'ions couvrent des domaines variés tels que les dispositifs électro-optiques avancés, la nanostructuration, l'ingénierie de la déformation cristalline, les matériaux pour l'énergie nucléaire et l'exploration spatiale. Les faisceaux d'ions sont ainsi utilisés pour synthétiser, façonner, tester ou modifier les propriétés des matériaux. Dans la plupart des cas, les objectifs souhaités sont rendus possibles par le transfert d'énergie des particules énergétiques vers les noyaux atomiques et/ou les électrons de la cible, mais le dépôt d'énergie conduit généralement à la génération de défauts et à l'accumulation de dommage indésirable. Par conséquent, comprendre les mécanismes de formation et d'évolution des défauts dans les matériaux apparaît comme une problématique importante à traiter.L'accumulation de dommage dans les matériaux irradiés est couramment étudiée à travers une analyse phénoménologique de paramètres tels que la déformation élastique ou la fraction de désordre qui peuvent être obtenus via des techniques de caractérisation expérimentale, à savoir la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/C) et la Diffraction des rayons X (DRX). Bien que ces paramètres contiennent des informations sur les déplacements atomiques dans le réseau cristallin des matériaux, établir un lien avec la structure et la densité réelles des défauts n'est pas trivial, pas plus que ne l'est la comparaison quantitative avec une modélisation des effets d'irradiation. Pour cela, il est nécessaire à la fois de développer des outils ad hoc pour calculer des signaux (pseudo-expérimentaux) à partir des données de modélisation, et de déterminer les caractéristiques intrinsèques, ou telles que vues par ces techniques, de défauts cristallins typiques.Dans cette thèse, nous considérons ces deux aspects, en prenant le fer (Fe) et le nickel (Ni) comme cas d'étude. Premièrement, nous proposons une méthodologie entièrement basée sur de la modélisation pour produire des cristaux numériques modèles contenant un seul type de défaut, de densité ou de taille variable, qui sont utilisés pour déterminer, à partir de signaux simulés de RBS/C et DRX, des informations de base sur ces défauts telles que leur volume de relaxation et leur capacité à induire du désordre. Ces deux grandeurs calculées peuvent également être utilisées pour interpréter la déformation élastique ou la fraction de désordre déduites d'expériences de RBS/C ou de DRX, exploiter des données de modélisation ou alimenter des codes de calcul multi-échelles simulant des dommages induits sous irradiation. Deuxièmement, nous avons généré des signaux RBS/C et DRX à partir de données à l'échelle atomique obtenues par une technique de dynamique moléculaire (DM) permettant de simuler un temps d'irradiation prolongé, afin d'en tirer des cinétiques de désordre et de déformation ; nous montrons qu'il est possible de définir différentes étapes dans les changements microstructuraux, chacune étant attribuable à des structures de défauts bien identifiées car connues grâce à l'analyse des données de DM. Ces informations issues de la modélisation peuvent ensuite être utilisées pour interpréter les cinétiques expérimentales d'endommagement.

Ion beams are widely used in numerous fields for fundamental research or technical applications that include electro-optical devices, engineered nanostructures, strain engineering, nuclear materials, and space exploration. Ion beams are indeed a powerful tool to synthesize, shape, test, or modify the properties of materials. In most cases, the desired goals are enabled by the energy transfer from the energetic particles to atomic nuclei as well as electrons of the target, but energy deposition usually leads to defect generation and associated undesired damage accumulation. Therefore, understanding the mechanisms of defect formation and evolution in materials appears to be a crucial task.Damage accumulation in irradiated materials is commonly studied through a phenomenological analysis of parameters such as the elastic strain or the disordering fraction that can be obtained via experimental characterization techniques, namely Rutherford backscattering spectrometry in channeling mode (RBS/C) and X-ray diffraction (XRD). Although these parameters convey information regarding lattice displacements in the materials, establishing a connection with the actual defect structure and density is not straightforward, and neither is the quantitative comparison with a modeling study at any scale. For this purpose, it is required to both develop ad hoc computational tools to calculate (pseudo-like experimental) signals from modeling data and determine basic information regarding typical defects as ‘seen' by those techniques or as inherent to the defects.This thesis addresses these two issues, dealing with Fe and Ni as test cases. First, a full computational methodology is proposed in order to produce model, single-crystal-like objects containing a single defect type of varying density or size, that are used to determine basic defect information such as their relaxation volume and their disordering efficiency by means of RBS/C or XRD signal simulations. These two computed quantities can be used to interpret strain and disorder levels derived from experimental RBS/C or XRD signals, exploit modeling data, and feed multiscale computational codes simulating radiation damage. Second, RBS/C and XRD signals are generated based on molecular dynamics (MD) atomic-scale data mimicking a prolonged irradiation time to derive disorder and strain kinetics; we show that it is possible to define various steps in the microstructural changes, each one being attributable to well-identified defect structures, as these latter are known from the analysis of the MD data. This computationally derived information can then be used to interpret experimental disordering kinetics.