Tenue sous irradiation d'oxydes métalliques envisagés comme matériaux avancés pour l'énergie - Rôle des défauts d'irradiation et de leur interactions avec la localisation des espèces implantées

Radiation Tolerance in Metal Oxides as Advanced Materials for Energy Application – The role of radiation defects and their interaction with the lattice location of foreign element

• Auteur / Autrice : Joanna Matulewicz
• Direction : Frederico Garrido, Renata Ratajczak
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'énergie nucléaire
• Date : Inscription en doctorat le 31/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec National Centre for Nuclear Research
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux de pointe pour l'énergie

Oxydes métalliques

Simulation des effets d'irradiation avec des accélérateurs d'ions

Techniques de microanalyse nucléaire

Couplage entre les défauts induits par l'irradiation et la localisation d'impuretés

Effets ph

Synergy between radiation-induced defects and location of foreign elements

Metallic oxides

Nuclear microanalysis techniques

Radiation-induced effects

Simulation of radiation-induced effects using ion accelerators

Advanced materials for energy

Résumé

Les oxydes métalliques constituent une vaste classe de solides aux propriétés intéressantes dans de nombreux domaines, notamment pour des applications énergétiques. La plupart d'entre eux présente une bonne tolérance aux radiations lorsqu'ils sont soumis à des environnements extrêmes, ce qui autorise leur utilisation comme matériaux pour l'énergie nucléaire (combustibles, absorbeurs de neutrons) ou pour les énergies renouvelables, pour lesquels une propriété spécifique nécessite des processus d'implantation/irradiation par faisceau d'ions (par exemple, les semi-conducteurs à large bande interdite comme ZnO) lors de leur élaboration. Néanmoins, la compréhension complète des mécanismes de dégradation de leur structure cristalline n'est pas encore établie. Plus précisément, le rôle des éléments ajoutés dans la structure cristalline (produits de fission dus à la fission nucléaire du combustible) ou introduits lors du processus d'implantation (matériaux intentionnellement dopés) dans la déstabilisation et leur relation avec les défauts causés par les radiations reste largement inconnu. L'objectif de cette thèse est de comprendre le rôle des deux contributions, à savoir les défauts induits et la présence d'éléments étrangers, sur les mécanismes de dégradation et d'explorer leurs synergies possibles. Deux oxydes métalliques différents seront étudiés sous forme monocristalline, correspondant à un oxyde lourd et à un oxyde léger : (i) le dioxyde d'uranium, utilisé comme système modèle pour le combustible nucléaire ; (ii) le sesquioxyde de gallium, un semi-conducteur à large bande interdite très prometteur pour les applications optoélectroniques. Des ions énergétiques fournis par des accélérateurs d'ions et des implanteurs seront utilisés pour incorporer des éléments étrangers et générer des dommages radiatifs à diverses énergies allant de keV (plateforme MOSAIC) au GeV (GANIL). L'évaluation des dommages radiatifs et la localisation des éléments étrangers seront effectuées par différentes techniques : la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS/C) et l'émission de rayons X induite par particules (PIXE/C) seront réalisées en canalisation pour quantifier les dommages et évaluer la localisation des éléments étrangers par triangulation. Cette dernière technique permettra de mieux comprendre la localisation des produits de fission et d'éléments tel Cr dans l'oxyde très lourd UO2, qui n'a été jusqu'à présent que prédite par des méthodes de dynamique moléculaire. De même, l'étude de l'oxyde Ga2O3 permettra de localiser les éléments actifs incorporés (e.g. Yb pour la photoluminescence) avec les deux techniques d'analyse par faisceau d'ions, et d'étudier leur couplage au désordre cristallin. L'analyse et l'interprétation des données de canalisation d'ions nécessitent l'utilisation d'un code de simulation McChasy1 développé au NCBJ, qui fonctionne actuellement pour la RBS/C et sera étendu pour PIXE/C. Des techniques complémentaires seront employées : la diffraction X (XRD), des méthodes spectroscopiques (EXAFS, Raman) et la microscopie électronique en transmission (TEM). En outre, des structures élaborées à l'aide d'un code de dynamique moléculaire (LAMMPS) seront utilisées pour établir des corrélations entre les défauts formés et leurs transformations, ainsi que la localisation des ions dopants incorporés dans la structure de la matrice. L'évolution des dommages induits par l'irradiation en fonction de la localisation des éléments étrangers sera étudiée expérimentalement à différentes températures d'implantation pour établir la cinétique des dégradations. La combinaison unique de techniques analytiques et de simulation numérique permettra une nouvelle approche pour l'étude de tels systèmes d'oxydes, offrant une vision plus complète sur la nature des impuretés et des défauts causés par l'implantation d'ions, la localisation des dopants dans le réseau et le comportement des défauts et des dopants suite à une irradiation ultérieure.

Metal oxides form a very wide class of solids with properties of interest in many different fields including materials for energy applications. Most of them exhibit a good radiation tolerance while submitted to harsh irradiation environments, fostering their use, for instance, as nuclear energy materials (fuels, neutron absorbers) or renewable energy materials where a highly specific property (such as optoelectronic) requires ion beam implantation/irradiation processes (e.g. wide bandgap semiconductors such as ZnO) in their elaboration. Nevertheless, a full understanding of the damaging mechanisms of their crystal structure is not established. More precisely, the role played by extra imbedded elements in the crystal structure (fission products due to nuclear fission nuclear fuel) or due to the implantation process (intentionally doped materials) in the destabilization and its relationship with the radiation defects in mostly unknown. The aim of the PhD is to understand the role of both contributions, i.e., radiation-induced defects and the presence of foreign elements, on the damaging mechanisms and to investigate their possible synergies. Two different metal oxides will be considered in the monocrystalline form, corresponding to a heavy and to a light oxide: (i) uranium dioxide, as a model system of the nuclear fuel; (ii) gallium sesquioxide, a very promising wide band gap semiconductor considered for optoelectronic applications. Energetic ions provided by ion accelerators and implanter will be used to incorporate foreign elements and to generate radiation damage at various energies from keV (MOSAIC platform at IJCLab) to GeV (GANIL). The evaluation of the radiation damage and the location of foreign elements will be performed by different techniques: Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS/C) and Particle Induced X-ray Emission (PIXE/C) will be conducted in the channelling mode to quantify the damage and to assess the location of foreign elements by triangulation. This latter technique will shed some light on the location of fission products and selected elements such as Cr in the very heavy oxide UO2, which were only predicted up to now by Molecular Dynamics methods for some of them. Similarly, the case study of Ga2O3 will be used to locate foreign active incorporated elements (such as Yb for photoluminescence) with both ion beam analysis techniques, and to investigate its coupling to the crystal disorder. The analysis and interpretation of ion channelling data requires the use of a Monte Carlo simulation code McChasy1 developed at NCBJ, that is currently working for RBS/C and will be extended for PIXE/C. Complementary techniques will be used: X-ray diffraction (XRD), spectroscopic methods (EXAFS, Raman), Transmission Electron Microscopy (TEM). In addition, structures made using an open-source Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Molecular Dynamic code (LAMMPS) will be used to find correlations between formed defects and their transformations as well as lattice location of dopant ions incorporated inside matrix structure. The evolution of the radiation-induced damage coupled to the foreign element location will be experimentally conducted at various ion implantation temperature to establish the damaging kinetics. The unique combination of analytical techniques and computer simulation will create a novel approach to the study of such oxide systems, providing a more complete picture about the nature of impurities and defects caused by ion implantation, the lattice location of the dopant, and both, defect and dopant, behavior by further radiation.