Soutenance de thèse de Hugo ITENEY

Les nano-objets (nanopiliers, nanofils, nanoparticules et films minces) sont particulièrement utilisés dans divers domaines d'application tels que la microélectronique, l'imagerie biomédicale, l'ingénierie ou la catalyse. En comparaison à leurs homologues massifs, ils sont connus pour présenter des propriétés physiques et mécaniques exceptionnelles, liées à leur ratio surface/volume élevé. En effet, tandis que le comportement mécanique des matériaux massifs repose sur la multiplication des dislocations et de leur libre parcours moyen, les nano-objets sont rares en défauts, nécessitant la nucléation des dislocations pour initier la déformation plastique. Néanmoins, cette tendance du "plus petit est plus fort" est caractérisée par une dispersion sévère des données dans les expériences de nanomécanique, qui pourrait être induite par des biais expérimentaux ou même des singularités en surface de l'échantillon (rugosité, couche de passivation, oxyde, etc.), sans parler de l'aspect stochastique du processus de nucléation des dislocations lui-même. L'impact de ces aspects est très peu, voire pas du tout, pris en compte par les méthodologies de modélisation actuelles, ce qui pourrait décrire de manière incorrecte l'échantillon et le protocole, induisant un écart significatif entre simulations et expériences. Cette thèse se concentre sur le développement et l'application de nouvelles méthodologies de conception d'échantillons et de déformation dans le but de rendre les simulations numériques de nanomécanique plus réalistes, tout en tenant mieux compte des observations expérimentales. Des nano-objets comprenant des rugosités de surface ou une altération chimique, sont conçus et testés à l'aide de simulations de dynamique moléculaire et d'éléments finis. À cette fin, nous avons développé un outil numérique et libre accès en Python appelé Pyrough qui repose sur la théorie classique de la rugosité pour la conception d'échantillons virtuels en 3D. En utilisant Pyrough pour la conception de nanoparticules métalliques rugueuses, nos simulations de dynamique moléculaire de nano-compression montrent que les irrégularités de surface ont un impact majeur sur les propriétés mécaniques et l'évolution des microstructure de dislocations lors de la déformation plastique. Ceci est confirmé par une étude statistique et quantitative réalisée sur des centaines d'échantillons d'or et de cuivre. De plus, un protocole original de contrôle en force visant à mieux décrire les essais de compression et d'indentation est introduit en plus de l'approche classique de contrôle en déplacement dans les simulations de dynamique moléculaire. Des sauts de déformation et des "pop-ins" sont désormais observables dans les simulations et l'effondrement abrupt des nanoparticules ou piliers métalliques observé expérimentalement est désormais expliqué. Enfin, la croissance et l'influence mécanique d'une couche d'oxyde à la surface des nanocristaux métalliques sont également étudiées en adéquation avec des expériences TEM in situ. En comparaison aux échantillons purs étudiés jusqu'à présent, les simulations confirment la modification des propriétés mécaniques des échantillons oxydés en surface. Cette étude, qui inclut une description plus réaliste des échantillons et du protocole de déformation, apporte un éclairage nouveau dans notre compréhension de la mécanique des nano-objets.

Nano-objects (nanopillars, nanowires, nanoparticles and thin films) are widely used in various fields of applications such as micro-electronics, biomedical imaging, engineering as well as catalysis. When compared to their bulk counterparts, they are known to exhibit exceptional physical and mechanical properties related to their high surface/volume ratio. Indeed, while the mechanical behavior of bulk materials relies on managing dislocation multiplication and mean-free path against other defect contents, nano-objects are known to be defect scarce requiring dislocations nucleation to initiate incipient plastic deformation. Nevertheless, this “smaller is stronger” trend is characterized by severe data scattering in nanomechanical experiments, which might be induced by experimental biases or even singularities at the surface of the sample (roughness, passivating layer, oxide, etc.), notwithstanding the stochastic aspect of the dislocation nucleation process itself. The impact of these aspects is very little, if not at all, accounted for by current modeling methodologies that might call for improper sample and protocol design at the heart of a significant gap between simulations and experiments. This thesis focuses on the development and application of new sample design and deformation methodologies with the aim of making nanomechanics numerical simulations more realistic while better accounting for experimental observations. Nano-objects with optimized and realistic surfaces, including surface roughness and chemical alteration, are designed and probed using molecular dynamics and finite-element simulations. For this purpose, we developed a numerical and open-source Python tool called Pyrough that relies on the classical roughness theory for the design of 3D virtual samples. Relying on Pyrough for the design of metal nanoparticles with surface roughness, nanocompression molecular dynamics simulations show that surface irregularities have a major impact on the mechanical properties and dislocation microstructure evolution during plastic deformation, as confirmed by a statistical and quantitative study performed on hundreds of atomistic simulations applied to gold and copper nanoparticles. Furthermore, an original load-control protocol that aims at better describe compression and indentation tests when relying on force monitoring is introduced in addition to the classical displacement-control approach in molecular dynamics simulations. Strain bursts and pop-ins are now observable in simulations and the experimentally-observed abrupt collapse of metal nanoparticles or pillars is now explained. Finally, the growth and the mechanical influence of an oxide layer at the surface of metal nanocrystals is also investigated using reactive force fields, in adequacy with in situ TEM experiments. As compared to the pristine samples studied so far, simulations confirm changes in the mechanical properties of surface-oxidized samples. This study that includes a more realistic description of sample and deformation protocol sheds new light on our understanding of the mechanics of nano-objects.