Soutenance de thèse de Shin JUNGHO

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
cristal défaut,tests nanomécanique,nanodiffraction,,
Keywords
nanodiffraction,nanomechanical testing,nanowire,,
Titre de thèse
ETUDE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT MECANIQUE ET DE LA NUCLEATION DES DISLOCATIONS DANS DES NANOFILS CONTENANT TRES PEU DE DEFAUTS
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF DISLOCATION NUCLEATION AND DEFORMATION BEHAVIOR IN DEFECT-SCARCE NANOWIRES
Date
Tuesday 27 August 2019 à 10:00
Adresse
University of Pennsylvania 3231 Walnut Street PA19104 Philadelphia, USA
Materials Conference room
Jury
Directeur de these M. Olivier THOMAS Aix Marseille Université
Directeur de these M. Daniel GIANOLA University of Pennsylvania
Examinateur M. Thomas CORNELIUS Aix Marseille Université
Rapporteur M. David SROLOVITZ University of Pennsylvania
Examinateur Mme Mitra TAHERI Drexel University
Rapporteur M. Erik BITZEK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Résumé de la thèse

De nombreuses recherches sur les matériaux ont pour objectif d’augmenter la résistance mécanique et atteindre la résistance théorique de façon contrôlée. La limite élastique de la plupart des matériaux de structure peut être adaptée en contrôlant le mouvement des dislocations ; la cission critique théorique n’est toutefois jamais atteinte. Il a été prouvé expérimentalement que les nanofils métalliques obtenus par croissance atteignent la résistance théorique. Cette résistance élevée est contrôlée par la nucléation des dislocations à la surface, en accord avec les simulations théoriques. Alors que la résistance mécanique est un phénomène déterministe dans les métaux conventionnels, des expériences récentes effectuées sur des nanofils quasi-exempts de défauts montrent que la nucléation des dislocations à la surface à température finie est fortement probabiliste. L’étude des nanofils contenant peu de défauts nécessite de réaliser des expériences systématiques afin de déterminer l’étape contrôlant la cinétique de nucléation des dislocations. Dans cette thèse, des méthodes expérimentales originales ont été utilisées pour élucider le mécanisme de plasticité dans des nanofils d’or contenant peu de défauts. Le chapitre 1 présente une expérience unique au cours de laquelle des diagrammes de diffraction cohérente des rayons X ont été enregistrés au cours d’un essai de traction sur un nanofil quasi-exempt de défauts. La technique in situ présentée permet non seulement de suivre l’évolution de la déformation du réseau, mais également les rotations telles que la torsion et la flexion qui se produisent pendant l’essai de traction. Ces mesures permettent de suivre en détails les premiers stades de la plasticité. Le chapitre 2 porte sur le comportement mécanique de nanofils Au et Pd contenant des défauts plans parallèles à l’axe. Dans le cas de Au la présence d’une paroi de macle cohérente augmente la limite élastique. A l’inverse les fautes d’empilement dans les fils de Pd ont une influence très faible sur la limite élastique. Dans la suite de la thèse nous démontrons une stratégie visant à limiter la fracture catastrophique des nanofils contenant peu de défauts en contrôlant le taux de restitution d'énergie pendant la rupture. La rigidité du cadre de la nano-machine de traction a été augmentée en ajoutant des nanofils parallèles, ce qui a empêché une fracture catastrophique des nanofils de Pd sans modification notable du mécanisme de nucléation. Enfin, une stratégie visant à contrôler la résistance mécanique des nanofils d’Au est présentée. Afin de modifier le processus de nucléation des dislocations à la surface, des nanofils Au quasi-exempts de défauts ont été recouverts avec un film d’Al2O3 déposé par ALD (Atomic Layer Deposition). Les nanofils individuels ont été testés en traction afin d’extraire les énergies d'activation pour la nucléation des dislocations. Nous concluons de ces résultats que la diffusion de surface est le facteur clé qui contrôle la nucléation des dislocations à la surface. Nous proposons que la couche de revêtement empêche la diffusion en surface, ce qui entraîne une augmentation de l’énergie d’activation pour la nucléation des dislocations et du volume d’activation, renforçant ainsi le matériau tout en réduisant simultanément la dispersion stochastique de la résistance mécanique. En résumé, les résultats expérimentaux obtenus au cours de ce travail de thèse suggèrent une nouvelle voie pour modifier des nanostructures. A la suite de cette thèse les sujets de recherche potentiels portent sur la manière de caractériser avec précision et d'établir un lien entre nucléation et interactions entre dislocations. Cela nécessite l'observation directe de la dynamique des dislocations dans le volume et une stratégie pour effectuer des tests de traction à température contrôlée et à haut débit sur un grand nombre de nanofils pour étudier efficacement et avec précision la nature probabiliste de la nucléation des dislocations.

Thesis resume

Numerous materials researches have set goals to strengthen a material in a predictive way, ideally to reach significant fraction of their theoretical strength in a controlled manner. Strength of most engineering materials can be tailored by controlling the dislocation movements; however, they never reach their theoretical strength regime. On the other hand, bottom-up grown defect-scarce metal nanowires (NWs) have been experimentally proven to reach their theoretical strength limit. This high strength is determined by dislocations nucleating from the surface, which have been theoretically supported by simulation studies. Unlike the strength being deterministic in conventional engineering materials, recent experiments on defect-scarce NWs find the surface dislocation nucleation process at finite temperature is strongly probabilistic. Thus, systematic experiments to provide physical insights on revealing the rate-limiting step for dislocation nucleation is demanding to fully utilize the superior mechanical properties of detect-scarce NWs. In this thesis, novel experimental methods were adopted to elucidate the plasticity mechanism of defect-scarce Au NWs. The first chapter presents the first realization of in situ Bragg coherent X-ray diffraction tensile tests of a defect-scarce Au NWs. The presented in situ technique not only allows for the tracking of the evolution of lattice strain but also rotational changes such as twisting and bending that arise during the tensile test with atomic lattice-level accuracy, enabling the inference of the events leading to plastic initiation as well as plastic flow in defect-scarce NWs. The next chapter investigates on Au and Pd NWs containing axial planar boundaries and their influence on the mechanical response. In Au NWs, the yield stress increases due to the presence of coherent twin boundary. Contrarily, stacking faults in Pd NWs contributed minimal strengthening effect. Then, the thesis demonstrates a strategy to mitigate runaway fracture of defect-scarce NWs by controlling the energy release rate during the yielding moment. Frame stiffness of a nano-tensile stage was increased by adding parallel NWs, which prevented catastrophic fracture of Pd NWs without noticeable change in nucleation mechanism. Finally, a strategy to tailor the strength in Au NWs is presented. Defect-scarce Au NWs were coated with of Al2O3 via atomic layer deposition to alter the surface-mediated dislocation nucleation process. Individual NWs were tensile tested to extract the activation parameters for dislocation nucleation by using a model developed from transition state theory. The results conclude that tailoring surface diffusional activity is the key factor in controlling surface dislocation nucleation. The coating layer is considered to impede surface diffusion, resulting in an increase of both the dislocation nucleation activation energy and activation volume, thereby strengthening the material while simultaneously reducing the stochasticity of strength determination. In sum, the experimental findings of current thesis suggest new avenue for nanostructure modification strategies. The prospective research topics lies on how to accurately characterize and link between nucleation and interactions of dislocations. This requires direct observation of volume-probed dislocation dynamics and refined strategy of performing high-throughput temperature-controlled NW tensile tests to efficiently and accurately investigate probabilistic nature of dislocation nucleation.