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The Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) process is used for the additive manufacturing (AM) of metal parts and is capable of producing a wide variety of complex parts for aeronautic and aerospatial sectors. Al-Si system is the most common aluminum alloy series used for the 3D manufacturing of parts by means of the PBF-LB method. They are known for their good flowability, high thermal conductivity and good corrosion resistance. However, rapid solidification causes ultrafine microstructure and non-equilibrium phases with supersaturation of Si in the Al matrix beyond the maximum solubility expected for the Al-Si system.In order to take advantage of the high cooling rate and thermal gradient, new aluminum alloys have been developed or modified specifically for the LPBF process. These materials, known as non-weldable, could be formed by additive manufacturing due to the introduction of grain refiners elements such as zirconium and titanium to limit the hot cracking effects.The main objective of this study is to evaluate the impact of the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process and heat treatments on the formation of precipitates and the composition of phases inherited by the rapid solidification process. In this context, clustering of Si and Mg atoms has been analysed for Al-Si alloys as well as the effect of adding Zr and Ti in Al2139 alloy. The LPBF process allows to obtain complex structures with microstructure gradients at the micrometer and nanometer scale, which modifies the precipitation kinetics compared to the conventional process. All these elements contribute to the high mechanical strength of these materials, especially Al2139 AM which can reach a yield strength (Rp0,2) and a tensile strength (Rm) higher than 500 MPa.In this study, a multi-scale microstructural characterization approach was chosen, from scanning electron microscopy to Atom Probe Tomography. From the knowledge of the microstructure inherited from the PBF-LB process, specific heat treatments were designed to improve the hardening response of the alloy and the level of hardening will be put into relation with the evolution of the alloy’s microstructure.; La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est un procédé utilisé en fabrication additive qui permet la mise en forme d’une large variété de pièces complexes notamment pour les secteurs de l’aéronautique et l’aérospatial. Le système Al-Si est la famille d’alliages d’aluminium la plus communément utilisée pour la fabrication de pièces élaborées par LPBF. Ces alliages sont bien connus pour leur bonne coulabilité, leur haute conductivité thermique ainsi que pour leur bonne résistance à la corrosion. Cependant, les fortes vitesses de refroidissement inhérentes au procédé LPBF génèrent des microstructures ultrafines et des phases hors-équilibre avec une sursaturation en Si dans la matrice d’Al bien en-dessus de la limite de solubilité attendue dans les systèmes Al-Si.Afin de tirer profit des fortes vitesses de refroidissement et des gradients thermiques, de nouveaux alliages d’aluminium ont été développés ou modifiés spécialement pour le procédé LPBF. Ces matériaux réputés non soudables ont pu être mis en forme par fabrication additive grâce à l’introduction d’éléments germinateurs tels que le zirconium et le titane afin de limiter les phénomènes de fissuration à chaud.L’objectif de cette étude est d’évaluer l’impact du procédé de fusion laser sur lit de poudre et des traitements thermiques sur la formation de précipités et la composition des phases induites par le refroidissement rapide dans ces alliages d’aluminium. Dans ce contexte, le comportement des atomes de Si et Mg a été analysé pour les alliages Al-Si ainsi que l’effet de l’ajout de Zr et Ti dans l’alliage Al2139. Il est révélé que le procédé LPBF permet d’obtenir des structures complexes avec des gradients de microstructure à l’échelle micrométrique et nanométrique, modifiant ainsi les cinétiques de précipitation par rapport au procédé conventionnel. L’ensemble de ces éléments contribue à la haute résistance mécanique de ces matériaux notamment l’Al2139 AM qui peut atteindre une limite élastique (Rp0,2) et une résistance à la traction (Rm) supérieures à 500 MPa.Pour répondre aux objectifs, une caractérisation microstructurale multi-échelle a été entreprise, de la microscopie électronique à balayage jusqu’à la Sonde Atomique Tomographique. Compte tenu de la microstructure héritée du procédé LPBF, des traitements thermiques spécifiques ont été conçus pour améliorer la réponse au durcissement de l'alliage. Le niveau de durcissement a pu être mis en relation avec l'évolution de la microstructure de l’alliage.

The development of a cost-effective bipolar transistor requires a collector doped by ion implantation. A low-resistive collector is needed to ease the electron flux towards the contact. The high dose required can only be processed fast enough on “high-current” implant machines which are limited in energy. The choice of the N type dopant has been made regarding this limitation. Phosphorus has been selected as it features a lower mass than arsenic and antimony. Indeed, at a given dose and energy, phosphorus profile is deeper and hence less resistive as compared to arsenic and antimony profiles. However, the high phosphorus diffusion coefficient leads to a dopant pile-up close to the base. This pile-up degrades the electrical properties of the base/collector junction. This side effect is hindered by using carbon co-implantation. Upon the first anneal step, the duration of the phosphorus transient enhanced diffusion regime is reduced by carbon. Upon the second anneal step, carbon establishes a self-interstitial undersaturation. Hence, phosphorus diffusion is greatly reduced. To sum up, low resistance as well as high junction voltages (Early and breakdown) are reached thanks to the combined action of carbon and phosphorus., La conception de transistors bipolaires de moindre coût nécessite entre-autres l’implémentation d’un collecteur réalisé par implantation ionique. Ce dernier doit être faiblement résistif pour faciliter le transit des électrons vers les contacts. Le fort dopage requis nécessite l’utilisation d’implanteurs « fort-courants » qui sont, en revanche, limités en énergie. Cette limitation conditionne le choix du dopant type N : le phosphore est retenu car il présente une masse plus faible que l’arsenic ou l’antimoine. Il contribue donc à l’obtention d’un profil plus profond, et donc moins résistif, à énergie donnée. En revanche, le coefficient de diffusion élevée du phosphore conduit à une dégradation des propriétés électriques de la jonction base-collecteur. La co-implantation du carbone permet de s’affranchir de cet effet. Au cours de la première phase du recuit, le carbone permet de réduire la durée du régime de diffusion accélérée du phosphore. Au cours de la seconde phase, le carbone instaure une sous-saturation en auto-interstitiels qui atténue fortement la diffusion du phosphore. L’action combinée du phosphore et du carbone permet donc d’atteindre à la fois une résistance faible et des tensions de jonction (claquage et Early directe) élevées

Chalcogenide glasses have been used for many years and in various applications. These glasses are particularly known for their infrared transmission property. Today the economic stakes with the evolution of the market of security, surveillance and autonomous cars need the use of thermal cameras, pushing to the reduction of the costs, and for that new materials should be developed, cheaper and easier to make. The objective of this thesis work is to study a material that can answer this problem, the composition 62,5GeS2-12,5Sb2S3-25CsCl has thus been selected. The study of the evolution of the microstructure during physical aging under Tg and crystallization above Tg is carried out from the macro scale to the nano scale in order to give a better understanding of the evolution of the glass and of its microstructure over time at different temperatures. These studies were carried out using different analysis techniques: differential scanning calorimetry (DSC) and with temperature modulation (MT-DSC), fast scanning calorimetry (FSC), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), atom probe tomography (SAT). The experimental results demonstrate that crystallization under Tg is possible when thermodynamic equilibrium is reached. The study of the crystallization of the glass made it possible to relate the microstructure and the evolution of its optical and mechanical properties, by observing and characterizing the development of two morphologies ofcrystals based on same CsCl structure., Les verres de chalcogénures sont utilisés depuis de nombreuses années et dans diverses applications. Ces verres sont notamment connus pour leur propriété de transmission dans l'infrarouge. Aujourd'hui les enjeux économiques avec l'évolution du marché de la sécurité, de la surveillance et des voitures autonomes nécessitant l'utilisation de caméras thermiques, poussent à la diminution des coûts et pour cela il est nécessaire de se tourner vers de nouveaux matériaux, moins chère et plus simple à réaliser. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier un matériau qui peut répondre à cette demande, la composition 62,5GeS2-12,5Sb2S3-25CsCl a ainsi été sélectionnée. L'étude de l'évolution de la microstructure lors du vieillissement physique sous Tg et la cristallisation au-dessus de Tg est réalisée de l'échelle macro à l'échelle nano afin de mieux comprendre l'évolution du verre et de sa microstructure au cours du temps à différentes températures. Ces études ont été réalisées à l'aide de différentes techniques d’analyses : calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et avec modulation de température (MT-DSC), calorimétrie à balayage rapide (FSC), diffraction des rayons X (DRX), microscopie à transmission électronique (MET), sonde atomique tomographique (SAT). Les résultats expérimentaux ont permis de mettre en évidence que la cristallisation sous Tg était possible lorsque l'équilibre thermodynamique était atteint. L'étude de la cristallisation du verre a permis de mettre enrelation la microstructure et l'évolution des propriétés optiques et mécanique, en observant et en caractérisant le développement de deux morphologies de cristaux de même composition.

Atom Probe Tomography uses field evaporation phenomena to peel off atoms from the surface of a sample. These ions are projected in a divergent electric field and collected by a time and position sensitive detector. Finally, thanks to the use of data processing algorithms, it is possible to map the composition of this sample in three dimensions near the atomic scale, in order to define its physical properties. However, the characterization of these elements depends mainly on the understanding of the field evaporation phenomena, the mass resolving power and the spatial resolution of the instrument. Currently, the use of high voltage pulses to trigger the field evaporation process is not without flaws. Indeed, the mass resolution of a straight flight path atom probe is not optimal compared to an atom probe with an energy compensation system (reflectron). However, it presents the best detection efficiency. This work provides solutions to optimize this performance factor through in-depth studies on the generation of the high voltage pulse and the associated field evaporation phenomena.One part consists in studying the different electronic technologies, components and circuits, allowing the high voltage pulses generation. Then, a geometrical model of the atom probe has been realized in order to visualize the influence of different voltage pulse shapes on the ion flights. The results of the simulations show that the field variation influences the velocity of the ions. This degrades the mass peak shapes and amplifies the chromatic aberrations. These dynamic effects are particularly visible on light ions (M < 15amu).At the end of these investigations, a new configuration of pulse generation is proposed in order to benefit from the advantages of the use of a nanosecond pulse. This has been done experimentally on a test bench in the laboratory. The results show a clear improvement of the mass resolution at 10% and 1%.Moreover, the analysis of the mass spectra has shown that physical information intrinsic to the material is available by measuring the slope of the mass peak tail. Thus, it is possible to extract the energy barrier of the atoms composing the sample from the experimental data. Then, atoms contained in the mass peak tail are identified to image the variation of energy deficits in a reconstructed volume. This new method of Field Evaporation Energy Loss Spectroscopy is applicable to any sample analyzed by a straight flight voltage pulse atom probe., La Sonde Atomique Tomographique utilise le phénomène d’évaporation par effet de champ pour arracher les atomes de la surface de l’échantillon. Les ions sont ensuite projetés dans un champ électrique divergent puis récoltés par un détecteur sensible en temps et en position. Enfin, grâce à l’utilisation d’algorithmes de traitement des données, il est alors possible de représenter la composition de cet échantillon en trois dimension à l’échelle atomique, afin d’en définir les propriétés physiques. Cependant la caractérisation de ces éléments dépend principalement de la compréhension des phénomènes d’évaporation par effet de champ, de la résolution en masse et de la résolution spatiale de l’instrument. Actuellement, l’utilisation d’impulsions haute tension pour déclencher le processus d’évaporation par effet de champ n’est pas sans défaut. En effet, la résolution en masse d’une sonde atome droite n’est pas optimale comparée à celle d’une sonde atomique à compensation d’énergie (réflectron). Cependant, elle présente le meilleur rendement de détection. Ces travaux apportent des solutions afin d’optimiser ce facteur de performance à travers des études approfondies sur la génération d’impulsions haute tension et des phénomènes d’évaporations par effet de champ associés.Une partie de cette thèse consiste à étudier les différentes technologies électroniques, composants et circuits, permettant la génération d’impulsions haute tension. Par la suite, un modèle géométrique de la sonde atomique est réalisé afin de visualiser l’influence de différentes formes d’impulsions sur les trajectoires de vol des ions. Les résultats des simulations montrent que la variation de champ influence la vitesse des ions. Cela dégrade la forme et la résolution des pics de masse et amplifie les aberrations chromatiques. Ces effets dynamiques sont particulièrement visibles pour les ions légers (M < 15amu).A l’issue de ces recherches, une nouvelle configuration de génération d’impulsion est proposée afin bénéficier des avantages de l’utilisation d’une impulsion nanoseconde. Celle-ci est réalisée expérimentalement sur un banc de test au sein du laboratoire. Les résultats montrent une nette amélioration de la résolution en masse à 10% et 1%.Par ailleurs, l’analyse des spectres de masse a démontré que des informations physiques intrinsèques au matériau sont disponibles en mesurant la pente de la traîne de masse. Ainsi, il est possible d’extraire la barrière d’énergie des atomes composant l’échantillon à partir des données expérimentales. Les atomes contenus dans la traîne de masse sont ensuite identifiés pour imager la variation des déficits en énergie dans un volume reconstruit. Cette nouvelle méthode de Spectrocopie des Pertes d’Energie par Evaporation par Effet de Champ est applicable pour tout échantillon analysé en Sonde Atomique droite à impulsion de tension.

Boron steels are defined by a high hardenability. This effect is related to the intergranular segregation of boron in austenite. In these steels, two mechanisms of boron segregation generally coexist: equilibrium segregation and non-equilibrium segregation. They have a different driving force and kinetics, and accordingly a different temperature and time dependence. Thus, depending on heat treatment conditions, the boron content at austenite grain boundaries fluctuates. The thesis aims at understanding the boron segregation at austenite grain boundaries according to heat treatment conditions. A heat treatment was studied: austenitization at 1000°C, followed by a quenching at 50°C/s up to 600°C where an isothermal holding is carried out. This study is divided in two parts. First, an experimental part with the interfacial boron quantification by Atom Probe Tomography (APT) analysis. Second, a numerical part with the development of a modeling of the segregation kinetics which integrates both types of boron segregation. Informations about what is happening in the grain and the grain boundary can be extracted from the modeling. Experimental measurements are carried out after a fast quenching (300°C/s) down to room temperature with the ambition of freezing the studied state. This quench leads to an austenite-martensite transformation. In this complex configuration, a correlative microscopy protocol was developed to prepare samples containing a Prior Austenite Grain Boundary (PAGB) for APT analysis. Experimental analysis show that other elements segregate at PAGBs in addition to boron (presence of C, P, Cr, V, Mo and Mn), as well as an absence of boron in martensitic lath boundaries. A study of APT and numerical results shows that quenching at 300°C/s does not allow the thermal state to be frozen, an enrichment of the interface during this quenching takes place. Finally, as expected, a non-monotonic variation of the boron atomic fraction at grain boundary has been observed both experimentally and numerically, for hold times greater than one second. However, time scale between numerical and experimental interfacial enrichment kinetics is divergent. This can comes from both an unsuitable set of numerical parameters and from the differences which exist between the model and the experimental reality (effects of co-segregation or the second quenching at 300°C/s, which are not taken into account by the model). Results are proving to be very encouraging, and open up numerous perspectives., Les aciers trempants au bore sont définis par une importante trempabilité. Cet effet est lié à la ségrégation intergranulaire du bore dans l’austénite. Dans ces aciers, deux mécanismes de ségrégations du bore coexistent généralement : la ségrégation à l’équilibre et la ségrégation hors-équilibre. Ils ont une force motrice et une cinétique différente, et donc une dépendance en température et en temps différente. Ainsi, selon les conditions de traitement thermique, la teneur en bore aux joints de grains austénitiques varie. L’objectif de cette thèse est de comprendre la ségrégation du bore aux joints de grains austénitiques selon les conditions de traitement thermique. Un traitement thermique a été étudié : austénitisation à 1000°C, suivie d’une trempe à 50°C/s jusqu’à 600°C, température à laquelle un traitement isotherme est effectué. L'étude comporte deux volets. L'un expérimental avec la quantification de la teneur interfaciale en bore par analyses en sonde atomique tomographique (APT). L'autre numérique avec le développement d'une modélisation de la cinétique de ségrégation qui intègre les deux types de ségrégations du bore. Une information sur ce qu’il se passe dans le grain et le joint de grains peut être extraite de la modélisation. Les mesures expérimentales sont réalisées après une trempe rapide (300°C/s) jusqu’à température ambiante dans l’ambition de figer l’état à étudier. La trempe conduit à une transformation de l’austénite en martensite. Dans cette configuration complexe, un protocole de microscopie corrélative a été mis au point afin de préparer des échantillons contenant un ancien joint de grains austénitiques (PAGB) pour l'analyse APT. Les analyses expérimentales montrent que d’autres éléments ségrègent aux PAGB en plus du bore (présence de C, P, Cr, V, Mo et Mn), ainsi qu’une absence de bore dans les joints de lattes martensitiques. L’étude des résultats APT et numériques montre que la trempe à 300°C/s, ne permet pas de figer l’état thermique, et qu’un enrichissement de l’interface à lieu lors de cette trempe. Enfin, comme attendu, une variation non monotone de la fraction atomique de bore au joint de grains a été observée à la fois expérimentalement et numériquement, et ce pour des temps de maintiens supérieurs à une seconde. Cependant l’échelle de temps entre la cinétique d’enrichissement de l’interface issue des simulations et celle issue des résultats expérimentaux est très éloignée. Cela peut provenir à la fois d’un jeu de paramètres numériques non adapté et des différences qui existent entre le modèle et la réalité expérimentale (effets de co-ségrégation, ou seconde trempe à 300°C/s, non pris en compte par le modèle). Les résultats obtenus se révèlent être très encourageants, et ouvrent de nombreuses perspectives.

The Atom Probe Tomography (APT) is an analysis technique allowing the visualization of the atomic structure and the determination of the elemental nature of each atom originating from material samples. In order to get this type of analysis, the APT uses a destructive technique, called the Field Evaporation, allowing the extraction and the detection of atoms constituting the analyzed material. To do so, it is necessary, in a first step, to shape the material sample in the form of a very sharp needle. Then, in a second step, to apply a high electric potential on the tip for ionizing and expelling the atoms from the surface of the tip apex. Surface atoms are then projected towards a position-sensitive detector (PSD), with the aim of reconstructing the internal three-dimensional shape of the analyzed material, layer-by-layer. Concerning the spectrometric aspect of this technique, each detected atom is associated to a time-of-flight (TOF) measurement. Those TOFs are measured between electric (or laser) pulses applied on the tip, and arrival times on the detector. Knowing the resulting electric potential applied on the tip and the projection speed of ions, it is possible to get the mass-to-charge ratio of each collected ion. Regarding the working process of this technique, it may be thought that APT instruments could be the best mean for analyzing materials at the atomic scale. However, since the invention of this technique, more than 30 years ago, APT instruments are still relatively confidential in the panel of high-resolution microscopes used in material sciences. One of the main reasons to this concerns the potential biases brought by the APT detection system. Some of those biases concern the inability of the detector to correctly treat high amounts of ion arrivals in a short period of time. In the case where some elements tend field evaporate in bundles of more than one ion, it is then possible to suffer from selective losses during APT experiments. Secondly, given that the elemental nature of collected ions is determined through time-of-flight mass spectrometry, material analyses may be intrinsically subjected to compositional biases. This is due to interferences between mass peaks originating from different elements, sharing very close mass-to-charge ratios. Based on the foregoing, this thesis is intended to answer to the following issue: How to outperform the limitations of APT detection systems? To do so, theoretical and experimental studies have been conducted for resolving those biases, and finally led to the development of new theoretical models and new type of detectors for APT instruments., La Sonde Atomique Tomographique (SAT) est un outil d’analyse qui permet de déterminer la structure et la composition locale de matériaux à l’échelle atomique. Afin d’obtenir ce type d’analyse, la SAT utilise une technique destructive appelée "évaporation par effet de champ", permettant d’extraire et de collecter un certain volume d’atomes provenant d’un échantillon de matériau. Pour ce faire, il est nécessaire, dans un premier temps, d’usiner le matériau à analyser sous la forme d’une pointe très fine. Puis, dans un second temps, d’appliquer un potentiel électrique très élevé au niveau de cette pointe, afin de d’ioniser et expulser les atomes de surface. Ces atomes de surface sont alors projetés vers un détecteursensible en position, couche après couche, afin d’obtenir une tomographie à l’échelle atomique du volume analysé. Afin d’être chimiquement identifié, chaque atome détecté est associé à une mesure de temps de vol, qui s’effectue entre une impulsion électrique (ou laser) appliqué sur la pointe, et un signal d’arrivé sur le détecteur. Connaissant le potentiel électrique total appliqué à la pointe, ainsi que la vitesse des ions projetés vers le détecteur, il est alors possible de déterminer un rapport masse sur charge (m/n) de chaque ion collecté. Au vu de cette dernière description, la SAT peut apparaitre comme l’un des meilleurs outils d’analyse permettant de caractériser des matériaux à une échelle atomique. Cependant, l’utilisation de cet instrument reste encore restreinte en science des matériaux. L’une des principales raisons à cela concerne les biais apportés par le système de détection de la SAT. En effet, il a été constaté que des pertes d’information pouvaient se produire lorsque le détecteur était soumis à des impacts d’ions multiples sur de très courtes périodes de temps. Ceci peut se traduire par des pertes sélectives dans le cas où certains éléments auraient tendance à s’évaporer par groupe de plusieurs ions sur une même impulsion de départ sur la pointe. D’autre biais ont aussi été constatés au niveau de l’identification chimique des ions détectés. Étant donné que cette identification s’effectue par spectrométrie de masse à temps de vol, on peut s’apercevoir que certains éléments d’un même matériau peuvent se regrouper sous des rapport m/n extrêmement proches. Ce qui a pour effet de créer des interférences entre pics de masses provenant d’éléments différents, et donc de créer de potentiels biais de compositions. Sur la base de ces différentes limites, cette thèse a pour but de répondre à la problématique suivante : Comment peut-on surpasser les limites des différents systèmes de détection de SAT ? Pour y répondre, des études, à la fois théoriqueset expérimentales, ont été effectuées pour traiter l’ensemble de ces derniers biais, jusqu’à l’aboutissement de nouveaux modèles théoriques et de nouveaux prototypes de détecteurs pour la SAT.

Radiation induced segregation (RIS) is a process identified to be involved in most of the degradation mechanisms of austenitic stainless steels core components of nuclear reactors. During irradiation within the operating temperature range of present and possible prototypes of future reactors, chemical elements of reactor internal metallic components redistribute heterogeneously and segregate on the pre-existent and newly created defects. Local enrichments or depletions levels depend, inter alia, on the element and nature of the defect affected. While mechanisms involved in RIS have already been identified, their kinetics and mutual weigh are still poorly known. Indeed, current theorical models of RIS suffer from a lack of experimental data. These two aspects motivated this study. First, by the determination of interdiffusion kinetics after thermal ageing and under irradiation on model alloys in the Fe-Ni-Cr system. Irradiation effect on diffusion have been studied at 440°C. At this temperature, conventional methods to study diffusion fail to give access to such slow kinetics under reasonable time. Experimental implementation of the nanolayers method on binary and ternary alloys gave, in this case, encouraging results. However, discrepancies between experiments and predictions revealed the need of optimizations on both sides. In the framework of this study, recommendations have been established to account for the effect of the microstructure and the selected ageing conditions on measured effective kinetics. Experiments on model alloys have the great interest to be directly confronted to simulation. Nevertheless, nuclear steels contain a large variety of minor alloying elements and impurities which have shown to play a key role on RIS behaviour. Thus, in a second part, RIS study on various bulk defects of an optimized nuclear austenitic stainless steel, a 316L(N) has been performed. Consequently, nanoscale coupled and correlated techniques (Atom Probe Tomography and Transmission Eelectron Microscopy) have been implemented. Techniques complementarity offered the possibility to associate enrichments to defect crystallography and revealed singular tendencies of RIS depending on the element and the defect involved. Furthermore, a higher nitrogen and niobium content in the steel nominal composition formed primary Z-phase, its stability under irradiation had also been for the first time studied in austenitic stainless steels., L’implication de la ségrégation induite par l’irradiation (SIR) dans la majorité des mécanismes de dégradation des composants du cœur des réacteurs nucléaires en aciers inoxydables austénitiques est avérée. Aux températures de fonctionnement des réacteurs actuels et possibles prototypes du futur, les éléments chimiques des pièces métalliques des structures internes se redistribuent de manière hétérogène en ségrégeant sur les défauts préexistants et nouvellement créés par l’irradiation. L’intensité des enrichissements ou des appauvrissements locaux dépendent, entre autres, de la nature de l'élément et du défaut concerné. Si les différents mécanismes de ségrégation sont aujourd’hui bien identifiés, leur cinétique et leur degré d’implication respectifs sont encore peu renseignés. En effet, les modèles théoriques actuels de la SIR souffrent d'un manque de données expérimentales. Ces deux aspects sont le moteur de cette étude. Dans un premier temps, les cinétiques d'interdiffusion après vieillissement thermique et sous irradiation ont été déterminées dans des alliages modèles du système Fe-Ni-Cr. L'effet de l'irradiation sur la diffusion a été étudié à 440°C. A cette température les coefficients de diffusion sont faibles et les méthodes classiques d'étude de la diffusion ne permettent pas d'y accéder dans un délai raisonnable. La mise en œuvre expérimentale de la méthode des multicouches à période nanométrique dans des alliages binaires et ternaires a montré, dans ce cas, des résultats encourageants. Toutefois, des divergences entre les résultats expérimentaux et les prévisions théoriques ont révélé la nécessité d'optimiser ces deux approches. Dans le cadre de cette étude, des recommandations ont été formulées pour tenir compte de l’impact de la microstructure et du choix des conditions de vieillissement sur les cinétiques effectives mesurées. Les expériences réalisées sur des alliages modèles offrent l’intérêt de pouvoir être directement confrontées à la simulation. Néanmoins, les aciers de l’industrie nucléaire contiennent une grande variété d'éléments d'alliage minoritaires et d'impuretés qui jouent un rôle clé sur le comportement des éléments impliqués dans la SIR. Ainsi, dans un second temps, une étude de la SIR sur différents défauts intragranulaires d'un acier inoxydable austénitique optimisé, un 316L(N) a été réalisée. Pour cela, des techniques couplées et corrélées à l'échelle nanométrique (Sonde Atomique Tomgraphique et Miscroscopie Electronique en Transmission) ont été mises en place. La complémentarité des techniques a rendu possible l'association des enrichissements locaux observés à la cristallographie des défauts concernés. Des tendances singulières de SIR ont été observées selon l'élément et la nature du défaut impliqués. Une teneur plus élevée en azote et en niobium dans la composition nominale de l'acier a entrainé la précipitation de phase Z primaire. La stabilité de cette phase sous irradiation dans les aciers inoxydables austénitiques a pour la première fois pu être étudiée.

The change of silicon optical and electrical properties induced by size reduction, due to the quantum confinement of charged carriers, is a well-known effect and allowed to develop new optoelectronic devices. As in bulk silicon, doping should allow to optimize these properties in nanostructured silicon. However, the characteristics of doping of nanostructured silicon still misunderstood and many questions, concerning the location of impurities and their activation state, remain unanswered. Moreover, in these materials, the environment of impurities seems to inuence strongly all of their properties. The purpose of this thesis is to get a better understanding of structural characteristics of doping at the atomic scale in function of the nature of the impurity, the host matrix, and the elaboration technic. In this way, we have investigated two di_erent systems using atom probe tomography. The first concerns a rare earth doping of hafnium silicates. We have evidenced that the clustering of HfO2 nano-grains crystallized in their cubic form induced an efficient energy transfer with praseodymium ions. The second system concern the n and p type doping of silicon nanocrystals embedded in silica. We have demonstrated the important introduction of n type impurities (As, P) in the core of every nanocrystals, independently of the elaboration technic. This introduction of impurities should allow the formation of highly doped silicon nanocrystals. A different behavior has been observed in the case of p type doping, represented by the aggregation of Boron at the interface between the nanocrystals and the silica matrix.; La modification des propriétés optiques et électriques du silicium apportée par la réduction en taille, notamment due aux effets de confinement quantique des porteurs de charges, est aujourd'hui bien connue et a permis le développement de nouveaux systèmes en optoélectronique. Comme dans le cas du silicium massif, le dopage devrait permettre d'optimiser les propriétés du silicium nanostructuré. Cependant, les caractéristiques du dopage dans le silicium nanostructuré sont encore mal comprises et de nombreux questionnements, concernant la localisation des impuretés ainsi que leur état d'activation, restent en suspens. De plus, l'environnement des impuretés semble avoir une influence majeure sur l'ensemble des propriétés. Cette thèse vise à mieux comprendre les caractéristiques structurales du dopage à l'échelle atomique en fonction de la nature de l'impureté, de la matrice hôte et de la technique d'élaboration. Pour cela, nous avons étudié deux types de système en sonde atomique tomographique. Le premier concerne un dopage aux ions de terres rares dans les silicates d'hafnium. Nous avons mis en évidence que la formation de nano-grains de HfO2 cristallisés sous la forme cubique permet un transfert d'énergie efficace vers les ions praséodyme. Le second porte sur les dopages de type n et p de nanocristaux de silicium insérés dans la silice. Nous avons démontré l'introduction des impuretés de type n (As, P) au cœur des nanocristaux, indépendamment de la technique d'élaboration, permettant de réaliser des forts dopages. Un comportement différent a été mis en évidence pour les impuretés de type p, avec l'accumulation de Bore aux interfaces entre les nanocristaux et la matrice.

This PhD thesis focuses on the study of SiC, doped with Fe in order to elaborate a diluted magnetic semiconductor at room temperature for spintronic applications. The iron doping was carried out by ion implantation of multi-energy type (30-160 keV) at different fluences, leading to a 2% constant atomic concentration between 20 to 100 nm, followed by a high temperature annealing in the goal of homogenizing the dopant concentration. The implantation temperature during this process is 550 °C, in order to avoid amorphization. The optimization of the magnetic and electronic properties of SiC-Fe, as well as the understanding of the physical mechanisms at the origin of induced magnetism, require a thorough characterization of the microstructure of the implanted materials. The objectives of this work are, on the one hand, to carry out an atomic scale study of the nanostructure according to the implantation conditions (temperature, fluence) and the post-implantation annealing and the other hand, to characterize the magnetic properties of implanted materials. In this work, we have shown by atom probe tomographic, the existence of nanoparticles whose the average size increases with the annealing temperature. The chemical mapping of the nanoparticles shows the presence of the Fe-rich phases for the annealed samples. Magnetic study (Mössbauer spectrometry and Squid) shows the ferromagnetic contribution is due to the magnetic nanoparticles and/or the diluted Fe atoms in the matrix. The correlation between structural and magnetic properties allowed showing that diluted Fe atoms and substitute to Si sites contribute to the ferromagnetic contribution below 300 K. In coupling many characterization techniques in order to give a detailed description of the different studied samples, we have shown that the size and nature of the phase present in the nanoparticles depend on the implantation conditions and the annealing temperatures and consequently it is necessary to anneal our samples at high temperature to reveal ferromagnetic order., Ce travail de thèse porte sur l’étude du carbure de silicium, dopé avec du fer dans le but de réaliser un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante pour des applications à la spintronique. Le dopage en fer a été réalisé par implantation ionique de type multi-énergie (30 - 160 keV) à différentes fluences, conduisant à une concentration atomique constante de 2 % de 20 à 100 nm. Il a été suivi d’un recuit à haute température dans le but d’homogénéiser la concentration en dopants. Les implantations se sont déroulées à une température de 550 °C. L’optimisation des propriétés magnétiques et électroniques du SiC–Fe, de même que la compréhension des mécanismes physiques à l’origine du magnétisme induit, ont nécessité une caractérisation poussée de la microstructure des matériaux implantés. Les objectifs de ce travail ont été d’une part, de réaliser une étude à l’échelle atomique de la nanostructure en fonction des conditions d’implantations (température, fluence) et des traitements thermiques post-implantation, et d’autre part, de déterminer les propriétés magnétiques des matériaux implantés. Dans ce travail, nous avons montré par Sonde Atomique Tomographique, la présence de nanoparticules dont la taille moyenne augmente avec la température de recuit. La cartographie chimique des nanoparticules a permis de révéler l’existence de phases riches en Fe pour les échantillons recuits. L’étude magnétique (spectrométrie Mössbauer et Squid) a montré que la contribution ferromagnétique est due principalement aux nanoparticules magnétiques et/ ou aux atomes de fer magnétiques dilués dans la matrice. La corrélation entre les propriétés structurale et magnétique a permis de montrer que les atomes de fer dilués dans la matrice et substitués sur sites de silicium contribuent au signal ferromagnétique en dessous de 300 K. Nous avons donc montré dans ce travail, que la taille et la nature des phases présentes dans les nanoparticules dépendent des conditions d’implantation et des températures de recuit et qu’il est nécessaire de recuire les échantillons à haute température pour faire apparaître un ordre ferromagnétique.

The aim of the thesis is to develop a methodology for the investigation of Mg which acts as p-type doping in GaN. We relate the spatial distribution of the dopants with their electrical activity which is achieved by coupling two complementary approaches, Atom Probe Tomography (APT) and Off-axis electron holography. These measurements have also been combined with high-resolution electron microscopy (HR-(S)TEM) for the structural characterization. APT is a unique characterization technique, based on the field effect evaporation of individual atoms of a needle shape sample, allowing the analysis of nano-devices both in terms of morphology and composition in three dimensions at the atomic scale. Off-axis electron holography uses an electron biprism to form an interference pattern from which the electrostatic potential arising from the active dopants can be determined. In this work the experimental procedure has been optimized for both techniques including specimen preparation, the microscope parameters and data treatment to recover accurate information about the position and activity of the dopants. For the holography measurements, a careful analysis of the artifacts that are present in these specimen has been performed to understand the effects of specimen preparation and charging under electron irradiation. We have performed these experiments at high temperature in-situ in the TEM (400 °C) as this increases the ionized dopant concentrations and reduces the artifacts that are present in our measurements. Having developed the methodology, these two techniques are then used to study the effect of temperature and dopant concentrations on the growth of Mg-doped GaN by MOCVD. We have been able to show by APT the existence of precipitates of Mg which are present from a concentration of 3E19 cm-3 whose size and density depends on the growth temperature and the total nominal dopant concentration. Their presence reduces the concentration of dopants that are potentially active in the specimens. However, the measurements of active dopants by holography combined with simulations suggest that the presence of these precipitates do not dominate the electrical properties of the material and that even in very highly doped specimens up to 2E20cm-3 the total active dopant concentrations are still higher than expected from previously published studies. The correlation between these techniques will provide valuable information to improve the Mg activation GaN which is currently a big issue for device manufacture., La thèse porte sur l’étude du dopage de type p, à base de Mg, dans des nanostructures de GaN, dans le but de relier la distribution spatiale du dopant à son activité électrique grâce à la corrélation entre sonde atomique tomographique (APT) et holographie électronique hors axe optique réalisée dans un microscope électronique en transmission (TEM). L'APT est une technique de caractérisation qui repose sur l'évaporation par effet de champ des atomes de surface d'un échantillon, permettant l'analyse en termes de morphologie et de composition, en trois dimensions et à l'échelle atomique. L'holographie électronique hors axe optique fournit des cartographies du potentiel électrostatique introduit par les dopants actifs électriquement. Dans un premier temps, les conditions expérimentales ont dues être optimisées pour chacune des techniques, incluant la préparation des échantillons, les conditions de mesure ainsi que le traitement des données, de façon à obtenir des données fiables et les plus quantitatives possibles. Une analyse soigneuse et détaillée des artefacts et des erreurs qu’ils introduisent est rapportée. Il a en particulier été montré que réaliser les expériences d’holographie in-situ à haute température (400 °C) grâce à un porte-objet chauffant permettait d’augmenter très significativement le signal lié au dopage et ainsi accroitre la sensibilité de la mesure. Dans un deuxième temps, ces deux méthodes d’analyse ont été corrélées pour étudier d’une part l’influence de la température de croissance en MOCVD, d’autre part celle de la concentration nominale en dopants dans des nanostructures dédiées GaN. Nous avons pu confirmer grâce à l’APT l’existence de précipités riches en Mg dès que la concentration nominale excède environ 3E19 cm-3, dont la densité augmente avec la concentration nominale et diminue avec la température de croissance. Leur présence diminue la concentration en dopants potentiellement actifs situés dans la matrice en dehors de ces précipités. Néanmoins, les résultats obtenus par holographie, appuyés par des simulations numériques, indiquent que ces précipités n’auraient pas un rôle prépondérant dans la variation du potentiel électrostatique en fonction de la concentration nominale en dopants même pour des concentrations en Mg qui s’élèvent à 2E20cm-3.

Cast austenitic-ferritic stainless steels are used in primary circuit of 2nd generation nuclearpower plants. At operating temperature (285 °C - 325 °C), evolution of mechanical properties isobserved due to the phase transformations occurring within the ferrite: spinodal decomposition (SD)leading to the formation on a Fe rich phase (α) and a Cr rich phase (α ') and the precipitation of the G-phase at α/α' interfaces. This evolution of the mechanical properties can be prohibitive for thecomponents. If it is well known that the steel composition plays an important role on the evolution ofthe properties (steels less rich in Ni and Mo are less sensitive to aging), the role of solute elements asNi, Mo and Mn on the aging kinetics is not yet known so as the contribution of the G-phase on thehardening during the thermal aging. In this study, the aging kinetics of the ferrite of some austenitic-ferritic stainless steels with or without Mo and model alloys with tuned compositions have been studied by atom probe tomography (APT) and by micro hardness measurements. This works answered the three following questions: - Quantification of the contribution of both spinodal decomposition and G-phase precipitation on hardening of the ferrite: combination of hardening models and data obtained with APT permitted to show that G-phase precipitation is clearly the main contributor to ferrite hardness increase at early stage of ageing in Mo-bearing steels. This is due to the high number density of G-phase particles. In Mo-free steels which have ten times less G-phase particles, contributions of both spinodal decomposition and G-phase precipitation are similar. In both cases, when coarsening of G-phase particles occurs and SD is well developed, SD contribution becomes larger. - Influence of Ni, Mo and Mn on aging kinetics: The study of model alloys with tuned composition has shown that only Ni plays a role on SD by enhancing the decomposition. Mn is a key element for the precipitation of G-phase particles at α/α' interfaces. - Efficiency of regeneration heat treatment at 550 °C: an alternative to component replacement is to perform a heat treatment at higher temperature in order to restore the properties of the components. The heat treatments performed permitted to entirely restore the mechanical properties of Mo free steels and partially the properties of Mo bearing ones. This is due to the presence of undissolved G-phase particles in the case of Mo bearing alloys. In each case, SD was totally dissolved.; Les aciers inoxydables austéno-ferritiques moulés sont utilisés pour certains composants ducircuit primaire des centrales nucléaires de génération II. Aux températures de service (285 °C -325 °C), des modifications de propriétés mécaniques sont observées. Elles sont imputables auxtransformations de phases au sein de la ferrite de ces aciers : la décomposition spinodale (DS) en phaseα (riche en Fe) et α’ (riche en Cr) et la précipitation de la phase G aux interfaces α/α'. S'il est admisque la composition de l’acier influe sur l’évolution des transformations de phase de la ferrite (lesaciers moins riches en Ni et Mo sont moins sensibles au vieillissement), aucune étude, à ce jour, n'apermis de mettre en évidence l'influence du Ni, Mo, Mn et des synergies éventuelles sur levieillissement des aciers ni de déterminer la contribution de la phase G à l'évolution des propriétésmécaniques. Dans cette étude, les cinétiques des transformations de phase de la ferrite d'aciers inoxydable austéno-ferritiques pauvres en Mo et riches en Mo ainsi que de celle d'alliages modèles decomposition ciblée ont été étudiées par sonde atomique tomographique (SAT) et par mesure demicrodureté. Les travaux ont répondu aux trois questions suivantes : - Quantification de la contribution des différentes phases au durcissement : L'utilisation conjointe de modèles de durcissement et des données obtenues par la sonde a montré que, contrairement à ce qui était dit dans la littérature, la phase G est le contributeur majoritaire au durcissement pour les aciers avec Mo. Ce n'est qu'aux temps longs, lorsque la coalescence des particules de phase G intervient et que la DS est plus développée que la contribution de la DS devient prépondérante. Ceci est dû à la forte densité de particules de phase G dans ces aciers. Dans le cas des aciers sans Mo qui contiennent dix fois moins de particules en début de cinétique, la phase G et la DS ont des contributions équivalentes. – Influence du Ni, Mo et Mn : L’étude d’alliage modèles de compositions ciblées a montré que seul le Ni accélère la décomposition spinodale et que le Mn a un rôle prépondérant dans la formation des particules de phase G aux interfaces α/α’. - Efficacité d'un traitement thermique de régénération à 550 °C: Une alternative au remplacement des composants les plus vieillis pourrait être un traitement thermique dit de régénération. Les recuits à 550 °C permettent de restaurer entièrement les aciers sans Mo et partiellement les aciers avec Mo. Ceci est dû au fait que les particules de phase G ne sont pas entièrement dissoutes dans le cas des aciers avec Mo, induisant un durcissement résiduel. Dans tous les cas, la DS est entièrement dissoute.

Ce mémoire porte sur mes activités de recherche dans la période 2009-2018, et il est organisé decette façon :Le chapitre 1 illustre une sélection de travaux menés durant mon post-doc à l’IEF Orsay, avec une attention particulière aux aspects de microscopie corrélative, i.e. aux analyses effectuées en spectroscopie optique et microscopie électronique sur des nano-objets uniques.Le chapitre 2 est une introduction à la physique de l’évaporation par effet de champ et à la technique de la SAT. On y introduit des notions qui seront développées dans les chapitres successifs.Le chapitre 3 traite des biais de mesure de composition dans l’analyse des semiconducteurs composés par SAT. Les résultats marquants sont ici la démonstration que ces biais sont liés au champ électrostatique de surface, l’estimation des rendements de détection des différentes espèces dans le GaN et dans l’AlGaN et l’interprétation d’une partie des mécanismes physiques conduisant à la nondétection de certaines espèces. Ce volet d’études ne faisait pas à l’origine partie de mon projet de maître de conférences, mais au cours de mes activités je me suis rendu compte de l’importance des aspects métrologiques pour les analyses corrélatives basées sur la SAT. Aujourd’hui, la métrologie compositionnelle en SAT constitue un de mes centres d’intérêt principaux, ouvert à de nombreuses hypothèses d’approfondissement.Le chapitre 4 illustre les approches de microscopie corrélative basées sur la SAT, en particulier celle que j’appelle l’approche statistique, et l’approche séquentielle sur un nano-objet unique. Un exemple d’approche statistique est illustré dans le cas de l’analyse de l’AlGaN, où les informations spectroscopiques ont été exploitées pour corriger le biais de mesure de composition dans cet alliage. L’approche à nano-objet unique est développée pour les puits quantiques InGaN/GaN et pour les boites quantiques GaN/AlGaN. L’importance de la microscopie électronique comme technique complémentaire y est particulièrement soulignée. Le chapitre se termine sur les possibles développements de la microscopie corrélative basée sur la SAT.Le chapitre 5 décrit la spectroscopie de µPL in situ dans une SAT, à travers les études menées sur le diamant et sur des hétérostructures à base d’oxydes. Le premier résultat marquant obtenu grâce à cette approche est la mesure de la contrainte mécanique induite par l’application du champ au sommet de nano-aiguilles en diamant. Le chapitre et le mémoire se concluent sur les nombreuses perspectives ouvertes par ce nouvel instrument.

Superalloys are key material in aerospace industry. These materials are used to manufacturing the high temperature part of aeroengines. Currently Ni-based superalloys are the most widely used materials for high temperature applications. Researches for a new generation of superalloys with better properties have lead in 2006 to the discovery of a new stable L12 ordered, Co3(Al,W) phase embedded in the disordered γ-Co solid-solution matrix. This work aims to study the evolution of the microstructure at 900 °C and understanding the mechanism of dissolution and transformation of the γ' phase. Three different alloys with different Al/W ratios are studied here. TEM and MEB analyses are carried out on samples aged at 900 °C forvarious time. We show that γ' is a metastable phase and it dissolves in favor of B2-CoAl and D019-Co3W phases. Moreover, we highlight a mechanism of dissolution by fragmentation along the {111} close packed planes and stacking faults giving rise to D019 phase. We also study the kinetics of precipitation in the low supersaturated alloys.The early stages of precipitation of the γ' phase in a model Co based superalloy have been investigated at 900 °C using electron microscopy and atom probe tomography in the low supersaturated alloys. Nucleation, growth and coarsening stages have been studied with a focus on the temporal evolution of the precipitate composition in the light of recent theoretical developments on phase separation in multicomponent alloys. The experimental data have been confronted to the theories of nucleation and coarsening recently developed for such alloys, which are valid for non-ideal and non-dilute systems, and predict the temporal evolution of both the matrix and precipitate compositions. The rate constant for the mean size evolution of the particles, as derived from experiments, has been compared to the one predicted by the mentioned coarsening theory that accounts for a more accurate description of the thermodynamics of the phases, as compared with more classical approaches. From this comparison the γ/γ' interfacialenergy was derived and found to range between 30 and 48 mJ/m2. The exponents for the temporal evolution of average particles size, number of particles per unit volume were found identical to those for binary alloys during the coarsening regime, as expected, and the temporal evolutions of compositions in both γ and γ' phases were found to evolve as predictedby theory. Indeed, the W content in the particles, measured from atom probe tomography (APT) experiments, was found to significantly decrease with time and the observed evolution is remarkably well described by the theory and therefore is shown to originate from the competition between diffusion and capillarity., Les superalliages sont des matériaux clés en aéronautique. Ces matériaux sont utilisés pour la fabrication des pièces des parties chaudes des turboréacteurs d’avion. Les recherches pour une alternative des superalliages à base de Ni avec des caractéristiques supérieurs, ont abouti en 2006 à la découverte d’une nouvelle génération de superalliage à base de cobalt basée sur le système Co-Al-W avec une microstructure γ/γ' similaire aux superalliages à base nickel. Trois nuances d’alliages avec différent ratio Al/W ont été étudiées dans ce travail. L’objectif de ce travail a été dans un premier temps d’étudier l’évolution de la microstructure à 900 °C et de comprendre les mécanismes de transformation et de dissolution de la phase γ'. Pour cela des études en MEB et en MET ont été menées sur des échantillons recuits à 900 °C pendant divers temps. Nous avons montré que la phase γ' est une phase métastable et qu’elle se dissout au profit des phases Co3W et CoAl. Nous avons mis en évidence un mécanisme de dissolution par fractionnement des précipités γ' suivant les plan denses (111) et de fautesd’empilement donnant naissance à la phase D019. Dans un second temps nous avons étudié la cinétique de précipitation dans des alliages faiblement sursaturés. Les stades de germination, de croissance et de la coalescence ont été étudiés en se focalisant sur l’évolution temporelle de la composition des phases γ et γ ׳. Les données expérimentales ont été confrontées aux toutes dernières théories de germination, croissance et coalescence développées pour les alliages multicomposants non dilués, et qui prédisent l’évolution temporelle des compositions des phases γ et γ ׳. Ainsi, nous avons montré que l’évolution temporelle des paramètres cinétiques tels que la taille moyenne et la densité de particules durant la coalescence sont assez prochesde celles prévues par la théorie de coalescence de LSW. Grâce à la sonde atomique tomographique nous avons montré que la composition en W des phases γ et γ' décroit dans le temps. La décroissance de la teneur en W en particulier dans la phase γ' est observée pour la première fois dans ces alliages et elle est due aux effets de capillarité et de couplage des fluxde diffusion. Un très bon accord avec les nouvelles théories de germination, croissance et coalescence dans les ulticomposants a été démontré. Enfin à partir des modèles théoriques et de la base thermodynamique du système ternaire CoAlW nous avons déterminé l’énergie interfaciale dont les valeurs calculées sont comprises entre 30 et 48 mJ/m2.

It is well known that the intergranular segregation of phosphorus can diminish the cohesion between grains, resulting in steel embrittlement. Low alloyed bainitic steels used to build nuclear reactor pressure vessel (RPV) generally contain a small amount of phosphorus (in the range of 100 ppm). Continuous exposure to a low neutron dose rate irradiation at intermediate temperature (~300°C) results in radiation embrittlement of RPV steel. Since intergranular segregation of phosphorous can contribute to this embrittlement, for purpose of RPV reliability during operation, it is important to understand the effects of ageing conditions (temperature, irradiation dose etc.), material composition and grain boundary (GB) type on the intensity of phosphorus intergranular segregation. Regarding to literature sources, it was revealed that the intergranular segregation values may strongly vary among different GBs. However, there is a lack of systematic studies in this field.In order to get an accurate and representative description of GB from structural and chemical points of view, different techniques are combined in this work. Atom Probe Tomography technique is utilized as the main tool. This technique is able to explore the 3D atomic distribution of broad variety elements at GB. GB geometry is determined from Transmission Kikuchi Diffraction (TKD) map supplemented by APT reconstruction. To gain a better understanding of segregation mechanisms, models of thermally and radiation-induced segregation were employed.; Il est bien connu que la ségrégation intergranulaire du phosphore peut diminuer la cohésion entre les grains, entraînant une fragilisation des aciers. Les aciers bainitiques faiblement alliés utilisés pour la construction des cuves des réacteurs à eau sous pression (REP) contiennent généralement une faible quantité de phosphore (dans la gamme de 100 ppm). L’exposition continue à une irradiation sous un faible flux de neutrons à une température moyenne (environ 300°C) conduit à une fragilisation de l’acier de l'acier de cuve. La ségrégation intergranulaire du phosphore peut potentiellement contribuer à cette fragilisation. Pour assurer la fiabilité des REP en fonctionnement, il est donc important de comprendre les effets des conditions de vieillissement (température, dose d’irradiation etc.), de la composition du matériau et du type de joint de grains (JG) sur l’intensité de la ségrégation intergranulaire du phosphore. La littérature montre que la ségrégation intergranulaire peut fortement varier entre différents joints de grains. Cependant, les études systématiques manquent dans ce champ d’étude.Dans le but d’obtenir une description précise et représentative des joints de grains d’un point de vue structural et chimique, ce travail combine différentes techniques. La principale technique utilisée est la Sonde Atomique Tomographique (SAT). Cette technique permet d’explorer en trois dimensions la distribution atomique d’une grande variété d’éléments dans les joints de grains. La géométrie des joints de grains est déterminée grace à la Diffraction de Kikuchi en Transmission (TKD) associée à une reconstruction de SAT. Pour avoir une meilleure compréhension des mécanismes de ségrégation, des modèles ségrégation d'équilibre et de ségrégation induite par l'irradiation ont été utilisés.

The stainless maraging steel MLX17, produced and developed by Aubert & Duval, is a candidate for applications in the field of the aeronautics. This steel possesses a high potential in term of mechanical resistance that exceeds that of the other stainless steels. However, the fracture toughness of this grade proves to be sensitive to the cooling rate after aging, resulting of a dispersal of this property. The research of the scientific origins of the degradation of the fracture toughness by a decrease of the cooling rate (air cooling in comparison to water cooling) is the main objective of this thesis. The microstructure was observed for several aging conditions. An approach using various scales (from micrometric to atomic scale) was necessary because of the complexity of the microstructure. In parallel, the study of tensile mechanical properties and resistance to propagation of cracks was led. The aim was to correlate the mechanical behavior to the microstructural evolution observed for the aging conditions investigated. Microstructural analyses by dilatometry and atomic tomography probe have shown the formation of a complementary precipitation of the hardening phase, responsible of the fracture toughness deterioration. In order to have a better control of this additional precipitation and to make it less fragile, a modification of the aging conditions was proposed. This alternative enabled an improvement of the trade-offs between the high strength and the fracture toughness.; L'acier maraging inoxydable MLX17, développé et élaboré par Aubert & Duval, est une nuance candidate pour des applications dans le domaine de l’aéronautique. Cette nuance possède un fort potentiel en termes de résistance mécanique qui dépasse celle des autres nuances inoxydables. Cependant, elle s’avère sensible à la vitesse de refroidissement après revenu, qui influence directement la ténacité. La recherche des origines scientifiques de la dégradation de la ténacité lorsque la vitesse de refroidissement après revenu diminue (refroidissement à l'air par rapport à un refroidissement à l'eau) constitue l’objectif majeur de cette thèse. Un suivi des modifications microstructurales de la nuance, selon différentes conditions de revenu a été réalisé. Une démarche intégrant différentes échelles d'observation (de l’échelle macroscopique jusqu'à l'échelle atomique) s’est imposée au vu de la complexité de la microstructure. Parallèlement, l’étude des propriétés mécaniques en traction et en résistance à la propagation brutale de fissure a été menée afin de s’attacher en permanence à corréler le comportement mécanique à l’évolution microstructurale observée pour les différentes conditions de revenu. Les analyses par dilatométrie et par sonde atomique tomographique ont permis de mettre en évidence la formation d’un complément de précipitation, à l'origine de la dégradation de la ténacité. Pour permettre une meilleure maîtrise du complément de précipitation et le rendre moins fragilisant, une modification des conditions de revenu a été proposée. Cette alternative a permis d'obtenir une amélioration du compromis résistance/ténacité.

This PhD work addresses the problem of atomic scale structural characterization of II-VI based heterostructures. The correlative use of atom probe tomography and transmission electron microscopy reveals the structure and composition of interfaces in ZnTe/CdSe superlattices to improve their growth condition. The atomic structure and the atomic Cr distribution are also revealed in (Cd,Cr)Te diluted magnetic semiconductor.When experimental parameters set in the atom probe are optimized, quantitative data can be obtain on both ZnTe and CdSe semiconductors with this technique. Compositions are obtained with the mass spectrum and it has to be correctly indexed. Experimental studies reveal that with the application of a low voltage on the tip and a moderate laser power around 2.5 nJ with a green laser (515 nm), the measured composition in ZnTe and CdSe are close to the stoichiometry between cations and anions. Setting the cations ratio Zn++/Zn+ around 0.06 et Cd++/Cd+ around 0.35 during the evaporation of the field is a reliable way to reach the optimum evaporation condition for different tips and in different atom probes. Those parameters are responsible for lowering the loss in the detection of the ions due to their different evaporation field. However, the application of a low laser power in UV (343 nm) will enhance the spatial resolution of the atom probe and the 3D reconstruction of both semiconductors. Before the evaporation of the superlattices, it is therefore compulsory to define the objectives of the experiment first.Structural studies of ZnTe/CdSe superlattices reveal that interfaces are composed of ZnSe. Their chemistry is obtain by high resolution Z-contrast images, composition profiles obtain by the zeta-factor method in EDX and by the presence of ZnSe molecular ions in the atom probe tomography mass spectrum. Many samples are investigated to highlight the ability of Zn and Se to bind together instead of Cd and Te. Growth condition are improved by taking this information into account and to force the formation of CdTe based interfaces. Despite the growth precaution, ZnSe bonds seem inevitable and it lowers the possibility to finally obtain CdTe interfaces.Atom probe tomography studies correlated with EDX chemical mapping reveal the gathering of Cr in rich region off a few nanometers in the diluted magnetic semiconductor CdCrTe. Both techniques are not reliable to get the composition of this Cr riche regions but they reveal a change in their shapes with the increase of Cr concentration in different samples., Ce travail de thèse aborde la problématique de caractérisation structurale à l'échelle atomique d'hétérostructures à base de semiconducteurs II-VI. La sonde atomique tomographique et la microscopie électronique en transmission sont utilisées de façon couplées pour obtenir la structure et la composition des interfaces dans les super-réseaux de ZnTe/CdSe afin d'améliorer leurs processus de croissance. La structure et la distribution des atomes de Cr dans le semiconducteur magnétique (Cd,Cr)Te sont aussi présentées.La sonde atomique tomographique permet d'obtenir des données quantitatives à partir de l'évaporation des semi-conducteurs ZnTe et CdSe lorsque les paramètres expérimentaux sont optimisés. Le spectre de masse à partir duquel les compositions sont extraites doit d'abord être correctement interprétés car il dépend des conditions d'évaporation. Grâce à différentes études expérimentales, il a été observé que pour détecter un mélange stœchiométrique de cations et d'anions dans les semi-conducteurs ZnTe et CdSe, il est nécessaire d'appliquer une faible tension à la pointe et des énergies d'impulsions lasers proche de 2.5 nJ à une longueur d'onde de 515 nm (vert). Régler les rapports de charge entre cation Zn++/Zn+ autour de 0.06 et Cd++/Cd+ autour de 0.35 lors de l'évaporation de différentes pointes et dans différentes sondes atomiques permet d'atteindre une composition correcte des deux couches ZnTe et CdSe. Les paramètres déterminés expérimentalement permettent de réduire la perte de détection des ions liés à leurs différents champs d'évaporations. En revanche, il est préférable de privilégier une évaporation à laser minimale à 343 nm (UV) pour optimiser la résolution spatiale de la sonde et la reconstruction 3D pour ces deux semi-conducteurs. Pour l'analyse des super-réseaux par sonde atomique, il est donc primordiale de d'abord définir l'objectif de l'expérience (précision de composition ou de reconstruction) pour pouvoir choisir les bons paramètres d'analyse.L'étude structurale des super-réseaux de ZnTe/CdSe a révélé que les interfaces sont constituées de liaisons ZnSe. La nature des interfaces a été obtenue par imagerie en contraste chimique en haute résolution, par profils de concentrations obtenus par la méthode des zêta-facteurs en EDX et par la présence d'ions moléculaires ZnSe dans le spectre de masse en sonde atomique. L'étude structurale de nombreux échantillons a prouvé la capacité des atomes de Zn et de Se à former des liaisons au détriment des liaisons CdTe. Les conditions de croissance ont été successivement améliorées pour tenir compte de ces observations et afin de forcer la formation d'interfaces de type CdTe. Malgré les précautions prises, la présence de ZnSe semble inévitable et les options encore envisagées pour obtenir ces interfaces sont réduites.La sonde atomique couplée à l'analyse chimique EDX a révélé la présence d'agglomération des atomes de Cr sous forme de zone riche large de quelques nanomètres dans le semi-conducteur magnétique dilué CdCrTe. Ces deux techniques ne permettent pas de déterminer la composition précise de ces agglomérations riches en Cr mais leurs formes semblent évoluer avec l'augmentation de la teneur en Cr dans différents échantillons.

Nowadays self-organized semiconductor nanostructures have motivated many studies due to the presence of inhomogeneities that can improve physical properties (optical, magnetic …). Among all possible systems, Ge-Mn has emerged as a promising candidate for spintronic application since the discovery of Mn-rich self-organised nanocolumns in Ge matrix exhibiting ferromagnetic properties at operating temperature. Nevertheless, many questions related to the structure, composition, morphology or growth mechanism and physical properties of such nanocolumns remains open.In this work, thanks to 3D imaging capability of atom probe tomography a new and more precise characterization of Mn-rich nanocolumns was provided. Various nanocolumn morphologies (discontinuous, Y shape…) have been observed. Mn-rich nanocolumns were identified as metastable phase (in morphology and in composition). Nanocolumns phase evolution to stable spherical clusters induced by thermal treatment is also studied.These observations have been correlated with binary thin film growth simulation obtained by Kinetic Monte Carlo. Although performed on a rigid lattice with no elastic energy, simulations revealed self-organization of nanocolumns. These simulations allow us to understand the influence of growth parameter and nanocolumn formation mechanisms., Les semiconducteurs présentant une nanostructure auto-organisée sont au centre de nombreuses études, la présence d’inhomogénéités peut en effet améliorer les propriétés physiques (optique, magnétique, …) des matériaux considérés. Parmi les systèmes possibles, les alliages Ge-Mn qui présentent une nanostructure auto-organisée particulière sont apparus comme des candidats prometteurs dans le domaine de l’électronique de spin. En Effet, il apparait lors de la croissance des nanocolonnes riches en Mn organisées dans la matrice de Ge. Celles-ci présentent, dans certaines conditions, des propriétés ferromagnétiques à température ambiante. Cependant, de nombreuses questions relatives à la structure, à la composition, à la morphologie des nanocolonnes ou à leurs mécanismes de formation restent encore ouvertes.Dans ce travail, l’utilisation de la tomographie atomique a permis de mieux caractériser les nanocolonnes riches en Mn. Ainsi des nanocolonnes présentant différentes morphologies (discontinues, en forme de Y) ont été observées. Les nanocolonnes riches en Mn ont été identifiées comme une phase métastable (en morphologie et en composition). L’évolution structurale et chimique, induit par traitement thermique, des nanocolonnes en précipités sphériques stables a par ailleurs été étudiée. Ces observations ont ensuite été corrélées avec des modélisations de croissance de couches minces binaires obtenues par simulation Monte Carlo Cinétique. Les simulations révèlent la présence de nanocolonnes auto-organisées, bien qu’elles aient été réalisées sur un réseau rigide et sans énergie élastique. Ces modélisations nous permettent ainsi de mieux comprendre les mécanismes et l’influence des conditions d’élaboration menant à la formation de nanocolonnes.

The precipitation hardened martensitic stainless steel grade 15-5PH is used in the airplane industryas constitutive material of parts joining reactors to wings. Due to its application it is subjected totemperatures around 300°C leading to its embrittlement. Stainless steels embrittlement in thistemperature range is due to iron-chromium unmixing by spinodal decomposition. In addition, the 15-5PH grade has a complex microstructure comprising copper precipitates responsible for the initialhardening of the alloy, reversed austenite, known in this kind of steels to improve the toughness,which appears during the precipitation thermal treatment and G phase that precipitates duringaging. The evolutions of these microstructure components could also lead to some modifications ofthe material mechanical properties. In order to study the microstructure evolutions we use acombination of characterization techniques aiming at their most complete description. We show thatthe mechanical properties evolution is controlled by the spinodal decomposition of the matrix whoseevolution we are able to depict by simple phenomenological laws. We propose an indirect methodfor the measurement of aging kinetics of the 15-5PH steel, which we have correlated to directmeasurements, and a phenomenological law allowing the prediction of the alloy hardness based onits thermal history., L’acier inoxydable martensitique durci par précipitation 15-5PH est utilisé dans le domaine del’aéronautique comme matériau constitutif des pièces liant les réacteurs aux ailes, il est ainsi soumisen utilisation à des températures de l’ordre de 300°C, ce qui entraine sa fragilisation. Cettefragilisation des aciers inoxydables dans ce domaine de températures est causée par la démixtion dufer et du chrome, principaux constituants de la matrice, par décomposition spinodale. De plus, lamicrostructure complexe du 15-5PH contient également des précipités de cuivre assurant ledurcissement initial de l’alliage, de l’austénite de réversion, connue dans ce type d’aciers pourapporter un regain de ductilité, apparaissant lors du traitement de précipitation du cuivre et de laphase G apparaissant au cours du vieillissement. L’évolution de ces phases pourrait égalemententrainer une modification des propriétés mécaniques de l’alliage. Pour observer les différentesévolutions de la microstructure nous avons utilisé une combinaison de techniques apportant desinformations complémentaires afin d’en obtenir une caractérisation la plus complète possible. Nousavons ainsi pu montrer que les modifications de propriétés sont causées par la décompositionspinodale de la matrice. L’évolution de ses caractéristiques microstructurales a pu être décrite pardes lois phénoménologiques, fonctions de la durée et de la température de vieillissement. Nousavons également pu fournir une méthode permettant la mesure indirecte de l’avancée duvieillissement du 15-5PH, validée par les observations microstructurales, ainsi qu’un modèlephénoménologique permettant de prévoir la dureté de l’alliage.Mots clés : acier martensitique, décomposition spinodale, vieillissement, diffusion aux petits angles,sonde atomique tomographique, calorimétrie différentielle à balayage.

Optical and electrical properties of silicon nanoclusters embedded in silica have attracted major attention during the past few years since they are promising candidates for new generations of photovoltaic cells, memory devices, and waveguide amplifiers. These materials exhibit light emission and carrier storage properties which strongly depends on their microstructure. The nanocluster size distribution, number density and interface, as well as the host oxide composition are key parameters which govern the wavelength of the light emission, the density of trapped charges... The goal of this work is to understand the silicon nanoparticle formation mechanism at the atomic scale, depending on the elaboration parameters. In this work, it has been demonstrated that Si diffusion coefficient in silica strongly depends on the composition of the layer (i.e. the amount of excess silicon). Alongside, it has been evidenced that the layer thickness drastically changes the decomposition process, sometimes from spinodal-like decomposition to classical growth of particles. In addition, Monte Carlo Simulations have been performed to study the influence of the multilayered structure on the spinodal decomposition.; Les propriétés optiques et électriques de nanoparticules de silicium enrobées de silice ont été au centre de nombreuses études ces vingt dernières années en raison de leurs potentielles applications pour les futures générations de cellules photovoltaïques, de mémoires flash et d'amplificateurs optiques. Ces matériaux présentent des propriétés d'émission lumineuse et de piégeage de charges qui dépendent fortement de leurs caractéristiques structurales. La distribution en taille des nanoparticules, leur densité volumique, leur interface ainsi que la qualité de l'oxyde sont des paramètres clés qui gouvernent la longueur d'onde des photons émis, la quantité de charges piégées... L'objectif de cette thèse vise à mieux comprendre la formation des nanoparticules de silicium à l'échelle atomique en fonction des paramètres d'élaboration (excès de Si, épaisseur des couches actives, température et temps de recuit, ...). Une évolution du coefficient de diffusion du Si dans la silice en fonction de l'excès de silicium est mise en évidence. Parallèlement, un changement drastique du mécanisme de décomposition en fonction de l'épaisseur des couches a été observé, pour passer parfois d'un mécanisme de germination / croissance à un processus de décomposition spinodale. De plus, des simulations Monte Carlo ont été mises en place afin d'étudier la décomposition spinodale confinée dans une couche d'épaisseur nanométrique.

This thesis deals with the study of the influence of the nanostructuration of the Cu-Co system on its magnetic and magnetoresistive properties. As a first step, the granular Cu 80 Co 20 alloy was obtained as powders, thin films and nanowires. Powders were produced by mechanical milling. Thin films and nanowires were obtained by electrodeposition. This allowed investigating the influence of both the sample shape and the elaboration technique on the nanostructure and the magnetic and magnetoresistive properties of the samples. In a second step, multilayered Cu/Co nanowires have been prepared by electrodeposition. Experimental protocols for nanoscale analyses by transmission electron microscopy and atom probe tomography were developed. Such analyses have proved essential to allow the understanding and full correlation of magnetic and magnetoresistive properties. Contrary to many published results, which concluded to the formation of solid solutions on the basis of microstructural investigations, the analyses at the nanometric scale by tomographic atom probe and transmission electron microscopy of our granular alloys revealed that no Cu-Co solid solution have been obtained. In addition, the presence of a positive effect of the magnetoresistance under low applied magnetic field was observed, and correlated to the presence of oxides.; Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence de la nanostructuration du système Cu-Co sur ses propriétés magnétiques et magnétorésistives. Dans un premier temps, l'alliage granulaire Cu 80 Co 20 a été synthétisé sous différentes formes : poudres, couches minces et nanofils. Les poudres d'alliage ont été obtenues par broyage mécanique et les couches minces et nanofils par électrodépôt. Cela a permis d'étudier, d'une part, l'influence de la forme de l'échantillon et, d'autre part, l'influence de la technique d'élaboration sur la nanostructure et les propriétés magnétiques et magnétorésistives des échantillons. Dans un second temps, des nanofils multicouches Cu/Co ont été réalisés par électrodépôt. Des protocoles expérimentaux pour l'analyse à l'échelle nanométrique par microscopie électronique à transmission et par sonde atomique tomographique ont été mis en place. De telles analyses se sont avérées indispensables à la compréhension et à la corrélation complète des propriétés magnétiques et magnétorésistives. Contrairement aux nombreuses études publiées, qui ont souvent conclu à l'obtention de solutions solides sur la base de caractérisations microstructurales, les analyses à l'échelle nanométrique par sonde atomique tomographique et par microscopie électronique à transmission de nos alliages granulaires ont montré qu'aucune solution solide Cu-Co n'a pu être obtenue. De plus, un effet positif de magnétorésistance sous faible champ magnétique appliqué a été observé, et corrélé à la présence d'oxydes.

This thesis is focused on the preparation and microstructural / magnetic characterization of exchange-biased Fe/Mn multilayers. The structural characterization was performed by transmission electron microscopy, which enabled the structures to be identified as α-Fe and α-Mn. It also evidenced the evolution of roughness at the interfaces as a function of the deposition temperature. Atom probe tomography allowed a local analysis of the interfaces. The linear concentration profiles obtained revealed an asymmetry of the Fe/Mn and Mn/Fe interfaces as well as the formation of an Fe-Mn alloy with a modulated concentration at the interfaces. It was found that the width of the Fe/Mn interface increases with increasing deposition temperature. Mössbauer spectroscopy measurements probed the local environment of Fe atoms. The Fe-rich areas are ferromagnetic with a hyperfine field distribution reflecting the modulated composition, and the Mn-rich areas are antiferromagnetic with a Néel temperature very close to that of α-Mn. The magnetic characterization was carried out primarily by SQUID magnetometry, which allows the net magnetization, exchange field and coercive field to be determined. Besides, the magnetization depth profiles were obtained by polarized neutron reflectometry which identified two types of Fe layers, and showed the influence of the growth temperature on the coercive field., Ce travail de thèse a pour but l'élaboration et la caractérisation microstructurale / magnétique de systèmes multicouches Fe/Mn présentant un couplage d'échange anisotrope. La caractérisation structurale a été effectuée par microscopie électronique en transmission, ce qui a permis d'identifier les structures α-Fe et α-Mn ainsi que l'évolution de la rugosité aux interfaces avec la température de dépôt. Les analyses en sonde atomique tomographique ont permis d'obtenir une analyse locale des interfaces. Les profils linéaires de concentration obtenus ont révélé une asymétrie des interfaces Fe/Mn et Mn/Fe avec la formation de mélange Fe-Mn à concentration modulée aux interfaces, ainsi qu'une augmentation de la largeur de l'interface Fe/Mn avec la température de dépôt. Les mesures de spectroscopie Mössbauer ont permis d'identifier l'environnement local des atomes de Fe. Les zones riches en Fe sont ferromagnétiques avec une distribution de champ hyperfin reflétant la composition modulée, et les zones riches en Mn sont antiferromagnétiques avec une température de Néel sensiblement proche de celle du α-Mn. La caractérisation magnétique a été effectuée dans un premier lieu par magnétométrie à SQUID, ce qui a permis de déterminer l'évolution de l'aimantation globale des échantillons, le champ de d'échange et le champ coercitif. Par ailleurs, les profils d'aimantation en profondeur ont été obtenus par réflectométrie de neutrons polarisés, ce qui a permis d'identifier deux types de couches de Fe, ainsi que l'influence de la température d'élaboration sur le champ coercitif.

Interactions between dopants and implantation defects modify the boron redistribution in implanted silicon during annealing. Moreover, boron precipitation can occur in super-saturated regions. Theses phenomenon entail boron electrical deactivation. This manuscript particularly deals with boron precipitation with a focus on the composition of boron clusters. The first stages of boron precipitation are investigated in atom probe tomography. Statistical tools are developed for data treatment of atom probe tomography. Non classical nucleation theories are used to understand the formation of dilute clusters. A model coupling diffusion and classical nucleation theory is developed to predict the evolution of boron concentration profile in implanted silicon during annealing.; Plusieurs phénomènes modifient la redistribution du bore dans le silicium fortement implanté. Pendant le recuit thermique d'activation, les interactions entre les dopants et les défauts d'implantations viennent affecter et complexifier la redistribution du bore. A cela peut venir s'ajouter des phénomènes de précipitation dans les régions sursaturées en dopants. Ces interactions peuvent conduire à la désactivation partielle des dopants. Cette thèse traite en particulier de la précipitation ou mise amas du bore dans le silicium fortement implanté. Ces questions sont étudiées en sonde atomique tomographique. Des outils statistiques sont développés pour caractériser la mise en amas. Les théories non classiques de germination sont explorées pour comprendre la formation de germes dilués. Enfin, un modèle couplant diffusion et germination classique est proposé pour prédire l'allure des profils de concentration en dopant après recuit thermique.

The application of severe plastic deformation on metal alloys usually leads to the reduction of the grain size and the formation of a high density of defects (dislocations, vacancies, grain boundaries, etc.), pushing systems far from thermodynamic equilibrium. This can affect the stability of microstructures and influence the mechanisms of phase transformations. The aim of this work is to understand the effect of prior plastic deformation on two kinds of phase transformations: precipitation and ordering. For this, two model alloys were chosen: CuCr1 and Fe50Pd50. For the CuCr1, the early stages of the Cr precipitation in Cu were first investigated in the undeformed state. Atom Probe Tomography and Transmission Electron Microscopy clearly show the coexistence of three kinds of Cr rich precipitates. Both their structure and composition were investigated in detail. The precipitation kinetic was modeled on the basis of thermodynamic arguments, taking into account the different energy terms, i.e. driving force, elastic energy and interfacial energy, which come into competition during the Cr precipitation in Cu. The large deformation (by rolling) of the CuCr1 alloy leads to an acceleration of the precipitation kinetic due to the heterogeneous nucleation of Cr precipitates on dislocations. For the Fe50Pd50 alloy, the effect of deformation by High Pressure Torsion on the ordering mechanism was investigated. Transmission Electron Microscopy observations showed that the ordering process in the ultrafine grained state is associated with the recrystallization. The ordered domains nucleate at grain boundaries and grow at the expense of non-recrystallized grains. It should be noted that, a record coercive field was obtained for this alloy in the nanostructured state., L'application d'une déformation plastique intense à des alliages métalliques conduit généralement à la réduction de la taille de grains, ainsi à la formation d'une très forte densité de défauts (dislocations, lacunes, joints de grains,...), poussant le système loin de son équilibre thermodynamique. Ceci peut affecter la stabilité des microstructures et influencer les mécanismes de transformations de phases. L'objectif de ce travail est de comprendre l'effet d'une déformation plastique intense préalable sur deux types de transformations de phases diffusives : la précipitation et la mise en ordre. Deux alliages modèles ont été choisis, CuCr1 et Fe50Pd50. L'étude de l'alliage CuCr1 consiste dans un premier temps, à caractériser les premiers stades de la précipitation du Cr dans le Cu dans un état initialement non déformé. Les analyses en sonde atomique tomographique et les observations en microscopie électronique en transmission ont montré clairement la coexistence de trois familles de précipités riches en Cr. Les structures et compositions des précipités ont été analysées en détails. La cinétique de précipitation a été modélisée sur la base des arguments thermodynamique, prenant en compte les différents termes énergétiques (chimique, élastique et interface) qui rentrent en compétition lors de la précipitation du Cr dans le Cu. Par ailleurs, la déformation plastique par laminage de l'alliage CuCr, conduit à une accélération de la cinétique de précipitation, à cause d'une germination hétérogène des précipités riches en Cr sur les lignes de dislocations. Pour l'alliage Fe 50 Pd 50 , nous avons étudié l'effet d'une déformation plastique par torsion sous pression intense sur le mécanisme de mise en ordre. Les observations en microscopie électronique en transmission ont montré que le processus de mise en ordre dans un état nanostructuré est associé à la recristallisation. Tel que, les domaines ordonnés germent aux niveaux des joints de grains et grossissent au détriment de grains non recristallisés. Il est à noter qu'un champ coercitif record a été obtenu pour cet alliage dans l'état nanostructuré.

This thesis is devoted to the correlation of the structural properties at the atomic scale with the magnetic properties of (Pt/Co)3/Pt /IrMn multilayers with perpendicular exchange bias. Such multilayers are used in spintronics. A particular attention has been devoted to the structural characterization of the Co/IrMn interface. This interface plays a determining role in the exchange bias phenomenon, characterized by the exchange bias field HE . Investigation at the nanostructural scale has been carried out using atom probe tomography. Magnetic measurements were performed with a SQUID magnetometer. The results of magnetic measurements show that the insertion of a Pt spacer at the Co/IrMn interface increases HE for the multilayer in which the thickness of the Co layers (tCo ) is 0.4 nm, but decreases HE for the multilayer with tCo = 0.6 nm. Nanostructural analyses showed that in the absence of the spacer and for tCo =0.4 nm, Ir and Mn diffuse within the whole Co layer onto which the IrMn layer was deposited, while for tCo = 0.6 nm the Ir and Mn diffusion is much more reduced. On the other hand, whatever the thickness of the Co layer, the spacer reduces the Ir and Mn diffusion, thus acting as a diffusion barrier. Consequently, for multilayers with tCo = 0.4 nm, the spacer limits the interdiffusion at the Co/IrMn interface, leading to an increase of HE . The Ir and Mn diffusion in the Co layer being limited for the multilayer with tCo = 0.6 nm, the spacer moves away the Co spins from the Mn spins, leading to a decrease of HE .; Ce travail de thèse est consacré à la corrélation entre propriétés structurales à l'échelle atomique et propriétés magnétiques de multicouches (Pt/Co)3/Pt /IrMn à anisotropie d'échange perpendiculaire. Ces multicouches sont utilisées dans le domaine de l'électronique de spin. Une attention particulière a été portée à la caractérisation nanostructurale de l'interface Co/IrMn, cette interface jouant un rôle prédominant dans le phénomène d'anisotropie d'échange, caractérisée par le champ d'échange HE. L'étude structurale, réalisée principalement en sonde atomique tomographique a permis de révéler la structure des multicouches étudiées dont certaines couches sont d'épaisseur sub-nanométrique. Les résultats des mesures magnétiques ont montré que l'insertion d'une couche mince (spacer) de Pt à l'interface Co/IrMn augmente les valeurs de HE pour la multicouche dont l'épaisseur des couches de Co est tCo = 0,4 nm, mais diminue HE lorsque tCo = 0,6 nm. Les analyses nanostructurales montrent qu'en l'absence du spacer et pour tCo =0,4 nm, les atomes d'Ir et de Mn diffusent dans toute l'épaisseur de la couche de Co sur laquelle repose la couche IrMn alors que pour tCo = 0,6 nm la diffusion de ces atomes est beaucoup plus réduite. Quelle que soit l'épaisseur de la couche de Co, la présence du spacer réduit très fortement la diffusion d'Ir et de Mn, montrant ainsi que le spacer agit comme une barrière de diffusion. Pour tCo =0,4 nm, l'ajout du spacer, en limitant très fortement l'interdiffusion à l'interface entraîne l'augmentation de HE . Pour tCo =0,6 nm, la diffusion étant limitée, l'ajout d'un spacer entraîne une diminution de HE en raison de l'éloignement des spins de Co et Mn.

Interactions between dopants and implantation defects modify the boron redistribution in implanted silicon during annealing. Moreover, boron precipitation can occur in super-saturated regions. Theses phenomenon entail boron electrical deactivation. This manuscript particularly deals with boron precipitation with a focus on the composition of boron clusters. The first stages of boron precipitation are investigated in atom probe tomography. Statistical tools are developed for data treatment of atom probe tomography. Non classical nucleation theories are used to understand the formation of dilute clusters. A model coupling diffusion and classical nucleation theory is developed to predict the evolution of boron concentration profile in implanted silicon during annealing., Plusieurs phénomènes modifient la redistribution du bore dans le silicium fortement implanté. Pendant le recuit thermique d'activation, les interactions entre les dopants et les défauts d'implantations viennent affecter et complexifier la redistribution du bore. A cela peut venir s'ajouter des phénomènes de précipitation dans les régions sursaturées en dopants. Ces interactions peuvent conduire à la désactivation partielle des dopants. Cette thèse traite en particulier de la précipitation ou mise amas du bore dans le silicium fortement implanté. Ces questions sont étudiées en sonde atomique tomographique. Des outils statistiques sont développés pour caractériser la mise en amas. Les théories non classiques de germination sont explorées pour comprendre la formation de germes dilués. Enfin, un modèle couplant diffusion et germination classique est proposé pour prédire l'allure des profils de concentration en dopant après recuit thermique.

Si nanowires (NWs) are the typical one-dimensional nanomaterials and attract lots of interest in recent years due to their good properties and their wide range of possible applications. As far as their applications are considered, it is important to control their growth as well as their doping. Therefore, the aim of this thesis is devoted to the modeling the growth of Si NWs and the atomic scale metrology of Si NW composition In the first part of this work, we study the NW growth rate (length) as well as the morphology such as tapering. Several models are proposed owing to different nature of NWs synthesized via different methods: Chemical Vapor Deposition (CVD) and Molecular Beam Epitaxy (MBE). Different growth rate tendencies are found depending on the synthesis methods. A good fit is found between the modeling and the experimental data. The influence of experimental conditions on NW morphology is also investigated in this part. The aim of the second part of this thesis is devoted to the metrology of impurities (catalyst and dopant) in Si NWs using the Atom Probe Tomography (APT). This technique allows analysis at the atomic scale in real space with a three-dimensional analysis. Several types of Si NWs synthesized via different approaches such as etching, Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism and Solid-Liquid-Solid (SLS) mechanism with different growth catalysts (Au, In and Sn) are investigated. The residing of catalyst atoms in Si NWs is found to be a rather general phenomenon and it is related to the catalyst types and growth mechanisms. The dopant concentration and distribution in Si NW produced by etching is unchanged. As far as the doped Si NWs via VLS mechanism are concerned, a formation of NW core-shell structure with an under-doped core surrounded by an over-doped shell is found whatever the NW morphology and dopant type. A NW sidewall diffusion-based model is proposed to reproduce experimental data and give a possible incorporation pathway for dopant into NW., Les nanofils de silicium (Si) sont des nano-objets à une dimension. Ils font l'objet de beaucoup d'intérêt ces dernières années en raison de leurs bonnes propriétés et leur grand potentiel d'applications. Pour ces applications, il est important de parfaitement contrôler la croissance de ces objets ainsi que leurs dopages. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail de thèse est la modélisation de la croissance des nanofils de Si et la métrologie à l'échelle atomique de la composition des nanofils. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié le taux de croissance (longueur) ainsi que l'évolution de la morphologie des nanofils, en particulier l'effet d'effilage. Plusieurs modèles sont proposés selon la nature des nanofils synthétisés via différentes méthodes d'élaboration: Dépôt Chimique en phase Vapeur et Epitaxie par Jets Moléculaires. Les taux de croissance varient selon les méthodes de synthèse. Le modèle reproduit fidèlement les données expérimentales. L'influence des conditions expérimentales sur la morphologie des nanofils est également étudiée dans cette partie. L'objectif de la seconde partie de ce travail est la métrologie des impuretés (catalyseur et dopant) dans les nanofils de Si. Cette étude est réalisée à l'aide de la technique de Sonde Atomique Tomographique (SAT). Cette technique permet une analyse à l'échelle atomique, dans l'espace réel et en trois dimensions de l'objet analysé. Des nanofils synthétisés par différentes techniques telles : la gravure chimique, la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) et la méthode Solide-Liquide-Solide (SLS), en utilisant différents catalyseurs de croissance tels Au, In et Sn, sont étudiés. La présence d'atomes des catalyseurs dans les nanofils se trouve être un phénomène général. Un travail sur la métrologie des dopants a également été réalisé. La concentration des dopants et leurs distributions dans les nanofils synthétisé par gravure chimique est inchangée. En revanche, dans les nanofils de Si dopés via un mécanisme de croissance VLS, une structure cœur-coquille avec un cœur sous-dopé et une coquille sur-dopée est observée. Ceci est retrouvé quelque soit la morphologie du nanofil et la nature chimique du dopant. Un modèle basé sur la diffusion latéral (via la surface du nanofil) des dopants est proposé afin de reproduire les profils expérimentaux observés et aussi préciser une voie d'incorporation possible des dopants.

Embrittlement study of duplex stainless steels is a very important in order to predict the lifetime of primary circuits of nuclear power plant. Ferrite steels aged over 20 years, on-site, in laboratory and at different temperatures was analyzed by tomographic probe atom to assess the trend of aging of these materials with very long times. A more prospective work was also carried out, the aim was to model the decomposition of ferrite from austenitic-ferritic steels. The simulation of the decomposition of these steels are very complex, we initiated preliminary work in modelling the Fe-Cr alloys, because the decomposition of Fe and Cr in these steels is the main cause of their fragility. To validate the parameters used in simulation, an experimental study of the decomposition of an alloy Fe-20% at. Cr aged at 500 ° C was performed. This experimental study has shown that a non-classical germination (NCG) is involved in this alloy. The performed simulations on the same alloy at the same temperature, did not reproduce the progressive enrichment of precipitated phase α' (characteristic of NCG). The study of steels, aged over 20 years, has confirmed that the steel aged in laboratory are representative to steel aged in site ( T, Comprendre l'origine de la fragilisation des aciers austéno-ferritiques utilisés dans les coudes moulés des circuits primaires des centrales nucléaires est une étape clé pour l'anticipation de leur vieillissement. Cette prédiction nécessite une caractérisation et une compréhension du mécanisme de transformation de phase à l'origine de ce constat : la décomposition de la ferrite. Ainsi, de façon duale, des ferrites d'aciers vieillis plus de 20 ans, sur site ou en laboratoire ainsi qu'à différentes températures, ont été analysées par sonde atomique tomographique et un travail de simulation de la décomposition de la ferrite d'alliages modèles Fe-Cr a été initié. Afin de valider les paramètres utilisés en simulation Monte Carlo, une étude expérimentale de la démixtion d'un alliage Fe-20 % at. Cr vieilli à 500°C a été réalisée. Cette étude expérimentale a montré qu'un régime de germination non classique (GNC) intervient dans cet alliage. La simulation de la décomposition de la ferrite dans le même alliage, vieilli à la même température, n'a pas révélé l'enrichissement progressif des précipités de phase α' caractéristique de la GNC. L'étude d'aciers vieillis plus de 20 ans a permis de confirmer que les aciers vieillis en laboratoire sont représentatifs de ceux vieillis sur site (pour T < 350°C), que la phase G (précipitation intermétallique à l'interface des phases α/α') n'influence pas la fragilisation de la ferrite et que la différence de traitement thermomécanique n'est pas déterminante quant à l'écart de décomposition observé dans ces aciers.

Nickel-Platinum silicide integration in CMOS transistors occurs difficulties to control its own formation. These kinds of problems can lead to abnormal nickel encroachment shunting down the transistor and decreasing yields. The aim of this thesis is to improve the physic phenomenon understanding, which appear randomly on advanced microelectronic integrated circuits. The study of this unusual phenomenon has been realized thanks to local characterization techniques: leakage detection by voltage contrast, SIMS, electronic microscopy and atom probe tomography. Statistical results and characterization bring together allow us to provide a silicide defect growth sketch function of silicide formation process and chemical elements redistribution.; L'intégration du siliciure de nickel allié à un faible pourcentage de platine dans un environnement de transistors CMOS génère des difficultés à contrôler sa formation. Ces problèmes peuvent se traduire par une migration anormale du nickel court-circuitant le transistor, impactant les rendements de fabrication. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension de ce phénomène physique apparaissant de manière aléatoire à l'échelle d'un circuit intégré pour la microélectronique avancée. L'étude de ce phénomène rare a été conduite à l'aide de méthodes de caractérisation locales aux limites des possibilités techniques actuelles : détection des fuites par contraste de tension, SIMS, Microscopie électronique et sonde atomique tomographique. L'ensemble des résultats statistiques et des caractérisations réalisées ont permis de proposer un scénario de formation des défauts du siliciure en fonction des conditions de sa formation et de la redistribution des éléments chimiques en présence.

Nickel-Platinum silicide integration in CMOS transistors occurs difficulties to control its own formation. These kinds of problems can lead to abnormal nickel encroachment shunting down the transistor and decreasing yields. The aim of this thesis is to improve the physic phenomenon understanding, which appear randomly on advanced microelectronic integrated circuits. The study of this unusual phenomenon has been realized thanks to local characterization techniques: leakage detection by voltage contrast, SIMS, electronic microscopy and atom probe tomography. Statistical results and characterization bring together allow us to provide a silicide defect growth sketch function of silicide formation process and chemical elements redistribution.; L'intégration du siliciure de nickel allié à un faible pourcentage de platine dans un environnement de transistors CMOS génère des difficultés à contrôler sa formation. Ces problèmes peuvent se traduire par une migration anormale du nickel court-circuitant le transistor, impactant les rendements de fabrication. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension de ce phénomène physique apparaissant de manière aléatoire à l'échelle d'un circuit intégré pour la microélectronique avancée. L'étude de ce phénomène rare a été conduite à l'aide de méthodes de caractérisation locales aux limites des possibilités techniques actuelles : détection des fuites par contraste de tension, SIMS, Microscopie électronique et sonde atomique tomographique. L'ensemble des résultats statistiques et des caractérisations réalisées ont permis de proposer un scénario de formation des défauts du siliciure en fonction des conditions de sa formation et de la redistribution des éléments chimiques en présence.

Materials processed by severe plastic deformation (SPD), usually exhibit unusual mechanical properties because of their small grain size and the high density of dislocations. However these defects may give rise to phase transformations. The aim of this work was to obtain non equilibrium solid solution by high pressure torsion (HPT) in the Cu-Fe model system and to identify mechanisms involved in this phase transformation. The initial material was a filamentary nanocomposite fcc-Cu/bcc-Fe. Slices of this composite were processed by HPT for a full range of stain. The material has been investigated with XRD, Mössbauer spectroscopy, TEM and atom probe tomography. Initial bcc-Fe filaments are reduced by HPT until a critical size of about 5 nm. Then the solid solution formation occurs by diffusion in fcc-Cu. This phase is made of equiaxed grains of about 50 nm. Nor dislocations nor interfaces shearing could explained data whereas diffusion profiles give the evidence that enhanced diffusion rate can be attributed to excess vacancies., Les techniques d'élaboration par déformation plastique intense permettent d'obtenir des matériaux nanostructurés à l'état massif. La grande quantité de défauts (dislocations, lacunes,...) peut donner lieur à des transformations de phases hors équilibre. L'objectif de ce travail à été de produire par HPT (high pressure torsion) une solution solide hors équilibre à partir du système modèle Cu-Fe et de comprendre les mécanismes physiques à l'origine de sa formation. Le matériau initial est un nanocomposite filamentaire Cu-cfc/Fe-α. Des tranches de ce composite ont été déformées par HPT pour une large gamme de taux de déformation. Le matériau obtenu a été caractérisé par DRX, spectroscopie Mössbauer, MET et sonde atomique tomographique. Les filaments de ferrite sont dans une premier temps amincis jusqu'à environ 5nm. Le mélange forcé commence alors par diffusion de Fe dans Cu-cfc pour enfin aboutir à une solution solide homogène de Fe dans Cu-cfc. A la vue des données, les dislocations et le cisaillement répété des interfaces ne peuvent pas expliquer la formation du mélange forcé. Celle-ci est attribuée à la diffusion accélérée par les lacunes en excès.

Segregation is a general expression which describe the accumulation of atoms near defects of a material. Tomographic atom probe has been used to analyze, at a nanometric scale, the distribution of atoms near linear and planar defects.Boron atoms are added in small amount in Fe-40Al alloy (B2 ordered structure) to improve the mechanical resistance at ambient temperature. The spatial distribution of boron atoms in the grain of Fe-40Al alloy show a segregation to antiphase boundaries and stacking faults. A Cottrell atmosphere has been visualized for the first time at a nanometric scale. The enrichment of boron at the dislocation core is correlated with a depletion of aluminium atoms. We speculate that boron atoms substitute to aluminium atoms. This segregation of boron atoms within the grain of a Fe-40Al alloy seems to be responsible for the stabilisation of a new microstructure.A transmission electron microscope and a tomographic atom probe have been used to find a relation between the structure and the chemistry of a grain boundary. The experimental support of this work is a nickel base superalloy N18. Boron, molybdenium and chromium atoms segregate to the grain boundaries. This study show us that “random” grain boundaries are the most enriched in boron atoms. When this intergranular enrichment reach and is well above five atoms per square nanometer, a gamma disordered region of two nanometer in thickness separate always the gamma prime precipitates and the grain boundary plane.In a grain boundary plane, atoms are arranged in a way of parallelepipedal cells. Such a repartition might be the result of the particular structure of this grain boundary which is slightly misoriented to a position of coincidence., La ségrégation est une expression générale qui décrit un rassemblement d’atomes autour des défauts d’un matériau. La sonde atomique tomographique a été utilisée pour analyser à une échelle nanométrique la répartition des atomes prés de défauts linéaires et plans.Le bore est ajouté en quantité infinitésimale dans l’alliage Fe-40Al (structure ordonnée B2) pour augmenter sa résistance mécanique à température ambiante. La répartition spatiale des atomes de bore dans les grains de l’alliage Fe-40Al montre que ces atomes ségrégent sur les parois d’antiphase et les fautes d’empilements. L’image d’une atmosphère de Cottrell a été visualisée pour la première fois à une échelle nanométrique. L’enrichissement en bore au cœur de la dislocation s’accompagne d’un appauvrissement en aluminium. Le bore se substituerait aux atomes d’aluminium. Cette ségrégation de bore sur les défauts de l’alliage Fe-40Al semble responsable de la stabilisation d’une nouvelle microstructure.L’utilisation conjointe de la microscopie électronique en transmission et de la sonde atomique a permis d’étudier sur plusieurs joints de grains, la relation entre leur chimie et leur structure. Un superalliage à base de nickel N18 dopé au bore constitue le support expérimental de cette étude. Le bore, le molybdène et le chrome ségrègent aux joints. Mais ces analyses démontrent que les joints dits « généraux » sont les plus riches en bore. Quand cet enrichissement en bore atteint et dépasse 5 atomes par nanomètre carré, une zone désordonnée gamma de deux nanomètres d’épaisseur sépare toujours les précipités ordonnés gamma prime et le plan du joint.Dans le plan d’un joint de grains, des atomes ségrégés forment des cellules parallélépipédiques. Cette répartition semble provenir de la position légèrement désorientée par rapport à une position de coïncidence, de ce joint.