Soutenance de thèse de Amina MERABET

Différents travaux récents consacrés à l’étude des propriétés des matériaux aux petites échelles ont souligné des différences exceptionnelles dans le comportement mécanique des nano-objets par rapport aux matériaux massifs. Dans le cas du silicium, qui est considéré comme un semi-conducteur modèle, une transition fragile-ductile à température ambiante a été observée lorsque la taille des échantillons est inférieure à quelques centaines de nanomètres. Cependant, les défauts et les mécanismes à l’origine de ce changement de comportement n’ont pas été clairement identifiés. Dans ce contexte, le projet de recherche « BiDuL : "BrIttle to DUctile transition in silicon at Low dimensions" dans lequel s’inscrit cette étude, visait à caractériser en détail le comportement mécanique de nanopiliers de silicium en combinant des techniques expérimentales et des simulations en dynamique moléculaire. Ce travail repose sur l’étude post mortem de nanopiliers déformés, en utilisant différentes techniques de microscopie électronique (SEM, FIB, HRTEM). Les nanopiliers étudiés de 100 nm de diamètre ont été préparés par gravure plasma (RIE) et déformés en compression à température ambiante. Les résultats obtenus durant cette thèse, confirment la différence de comportement des nano-objets par rapport au matériau massif. Par ailleurs, une grande variété de défauts produits lors de la déformation plastique a été observée. L’orientation cristallographique de l’axe de sollicitation semble avoir un impact important sur les mécanismes à l’origine du comportement ductile observé. La comparaison entre images HRTEM expérimentales et simulées témoigne de la propagation simultanée de dislocations partielles et parfaites dans les plans {111}. De plus, des événements plastiques inattendus ont également été observés dans des plans {115}. Divers mécanismes de déformation possibles impliqués lors de la nano-compression des piliers sont décrits à partir des observations microscopiques. Un modèle tenant compte de l’influence sur la mobilité des dislocations des interactions entre systèmes de glissement est proposé afin d’expliquer la transition fragile-ductile observé aux petites échelles dans le silicium.

Several recent works devoted to the study of the properties of materials at small scales have revealed exceptional differences in the mechanical behavior of nano-objects as compared to bulk material. In the case of silicon, which is considered as a model semiconductor, a brittle-ductile transition at room temperature has been observed when the sample size is smaller than a few hundreds of nanometers. However, the extended defects and mechanisms behind this behavioral change have not been clearly identified. In this context, the research project "BiDuL: BrIttle to DUctile transition in silicon at Low dimensions" aimed to study in detail the mechanical behavior of silicon nanopillars by combining experimental techniques and simulations by molecular dynamics. This work is based on the post mortem study of deformed nanopillars, using different electron microscopy techniques (SEM, FIB, HRTEM). The studied nano-pillars of 100 nm in diameter were prepared by plasma etching (RIE) and deformed in compression at room temperature. The results obtained during this thesis confirm the difference in the behavior of nano-objects compared to bulk material. Moreover, a large variety of defects produced during plastic deformation has been observed. The crystallographic orientation of the deformation axis seems to have a significant impact on the mechanisms behind the observed ductile behavior. The comparison between experimental and simulated HRTEM images notably evidences the simultaneous propagation of partial and perfect dislocations in {111} planes. In addition, unexpected plastic events have also been observed in {115} planes. Various possible deformation mechanisms involved during the nano-compression of the pillars are described, based on the microscopic observations. Finally, a model considering the influence of interactions between various activated systems on the mobility of dislocations is proposed to explain the brittle-ductile transition observed at small scales in silicon.