Effets induits par la lumière sur le comportement nanomécanique de l'oxyde de zinc étudiés par imagerie en microscopie électronique à haute résolution

Light-induced effects on nano-mechanical behaviour of zinc-oxide studied by high resolution electron microscopy imaging

• Auteur / Autrice : Anastasiia Walrave
• Direction : Michael Texier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence

Mots clés

Mots clés libres

Plasticité

Oxyde de zinc

Hrtem

Dislocations

Plasticity

Zinc oxide

Hrtem

Dislocations

Résumé

Le composé ZnO présente un intérêt particulier en raison de la combinaison de nombreuses propriétés physiques (semi-conductrices, piézoélectriques, conductivité thermique élevée...) qui en font un candidat prometteur pour une large gamme d'applications. Comme d'autres matériaux semi-conducteurs, le ZnO en vrac est fragile à température ambiante mais présente une transition fragile à ductile à l'échelle nanométrique [Kim-2013], bien que les mécanismes élémentaires contrôlant sa plasticité à petite échelle n'aient pas encore été identifiés sans ambiguïté. De plus, certains travaux récents ont révélé un effet photoplastique dans le ZnO en vrac [Dong-2022, Li-2023]. Cet effet, qui fait référence aux variations de contraintes d'écoulement de la matière induites par l'exposition à la lumière, repose sur l'interaction entre les photons et les défauts chargés (lacunes, dislocations) [Osip'Yan-1973]. Il a été démontré pour plusieurs semi-conducteurs [Küsters-1983, Couderc-1990] qu'il peut être avantageusement exploité pour réduire drastiquement la densité de dislocation dans le matériau d'un facteur allant jusqu'à 200 [Garosshen-1995]. Ce projet vise à aborder la question fondamentale des processus de déformation des nanostructures de ZnO et comment sa déformation plastique pourrait être influencée par la lumière: Quels sont les mécanismes fondamentaux régissant la plasticité du ZnO à petite échelle? Quel est l'impact de la photoirradiation sur le comportement mécanique du ZnO alors que les dimensions à l'échelle nanométrique sont prises en compte? Contexte et méthodes: Cette étude constituera la partie expérimentale centrale d'un projet de recherche mené au sein du groupe MNO. L'originalité de ce projet réside dans la combinaison de techniques expérimentales de pointe et d'approches numériques d'objets de taille similaire et bénéficiera de la vaste expérience du groupe MNO de l'Institut Matériaux, Microélectronique et Nanosciences de Provence (IM2NP)dans l'utilisation des différentes approches de simulation expérimentale et atomistique. Les nanofils et les nanopillars seront testés mécaniquement in situ à l'aide d'un nanoindenter dédié disponible dans le groupe MNO tout en appliquant diverses conditions d'éclairage. Dans diverses conditions d'éclairage (c'est-à-dire exposition à la lumière w/wo; différentes longueurs d'onde dans le domaine visible; puissance d'éclairage), des expériences de déformation de nano-objets ZnO seront effectuées soit dans un SEM, soit dans un OM en fonction des objets étudiés. Les défauts produits lors des essais mécaniques seront principalement caractérisés par une MET à haute résolution (HR). L'imagerie HR-TEM couplée à une analyse de déformation utilisant l'Analyse géométrique de Phase (GPA) [Hytch-2003] sera réalisée pour résoudre la structure atomique des dislocations mobiles et quantifier leurs interactions mutuelles possibles. De manière générale, la thèse permettra de mieux comprendre le comportement mécanique et photoplastique du ZnO à l'échelle nanométrique, ce qui est important pour les futurs dispositifs basés sur ce matériau semi-conducteur prometteur.

The ZnO compound is of particular interest due to the combination of numerous physical properties (semiconducting, piezoelectric, high thermal conductivity ) that make it a promising candidate for a wide range of applications. Like other semiconducting materials, bulk ZnO is brittle at room temperature but exhibits a brittle-to-ductile transition at the nanoscale [Kim-2013], although elementary mechanisms controlling its small-scale plasticity have not yet been unambiguously identified. Also, some recent works revealed a photoplastic effect in bulk ZnO [Dong-2022, Li-2023]. This effect, which refers to material flow stress variations induced by light exposure, relies on the interaction between photons and charged defects (vacancies, dislocations) [Osip'Yan-1973]. It has been demonstrated for several semiconductors [Küsters-1983, Couderc-1990] that it can be beneficially exploited to drastically reduce the dislocation density in the material by a factor of up to 200 [Garosshen-1995]. This project aims to address the fundamental question of the deformation processes of ZnO nanostructures and how its plastic deformation could be influenced by light: What are the fundamental mechanisms governing the plasticity of ZnO at small-scale? What is the impact of photoirradiation on the mechanical behaviour of ZnO while nano-scale dimensions are considered? Context and methods: This study will constitute the central experimental part of a research project conducted within the MNO group. The originality of this project lies in the combination of state-ofthe-art experimental techniques and numerical approaches of similar sized objects and will benefit to the extensive experience of the MNO group at the Institut Matériaux, Microélectronique et Nanosciences de Provence (IM2NP) in the use of the various experimental and atomistic simulation approaches. Nanowires and nanopillars will be mechanically tested in situ using a dedicated nanoindenter available in the MNO group while applying various illumination conditions. Under various illumination conditions (i.e. w/wo light exposure; different wavelengths in the visible range; illumination power) deformation experiments of ZnO nano-objects will be carried out either in a SEM or in an OM depending on the investigated objects. The defects produced during the mechanical tests will be mainly characterized by high-resolution (HR) TEM. HR-TEM imaging coupled with strain analysis using Geometrical Phase Analysis (GPA) [Hytch-2003] will be carried out to resolve the atomic structure of mobile dislocations and to quantify their possible mutual interactions. In general, the thesis will provide a better understanding of the mechanical and photoplastic behavior of ZnO at the nanoscale, which is important for future devices based on this promising semiconducting material.