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Déformation des matériaux cristallins : quand la théorie colle avec la réalité

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Les chercheurs du Centre d'études de chimie métallurgique (CECM, Vitry-sur-Seine), et du Centre de recherches sur les macromolécules végétales (CERMAV, Grenoble) du CNRS, en collaboration avec le Département de recherche fondamentale sur la matière condensée du CEA (CEA-G Grenoble), ont mesuré dans un matériau cristallin le champ de déplacement autour d'une dislocation avec une précision jamais atteinte auparavant (3pm)(1). Ces mesures ouvrent de nouvelles perspectives dans le domaine de la micro et de la nanoélectronique. Elles font l'objet d'une publication dans la revue Nature du 15 mai 2003.

Champ de déplacement dans une des directions cristallographiques autour du cœur de la dislocation : mesuré expérimentalement et calculé théoriquement. Crédit : CNRS-CECM

Les dislocations, défauts au sein de la matière cristalline, sont à la base des mécanismes de plasticité et de déformation des matériaux. De nombreuses théories ont été développées afin de décrire les déplacements atomiques qui interviennent autour de ces défauts fondamentaux, notamment la théorie élastique. Cette théorie est basée sur les comportements macroscopiques et ne prend pas en compte explicitement l'existence des atomes. Il est donc généralement admis qu'elle n'est plus valable dès lors que l'on atteint l'échelle atomique.

Les chercheurs ont voulu tester les limites de cette théorie en mesurant le champ de déplacement expérimental autour d'une dislocation. Ils ont pour cela effectué des observations de dislocations dans le silicium pur par microscopie électronique en transmission à haute résolution, technique qui permet de visualiser les réseaux atomiques dans les matériaux cristallins.
Le champ de déplacement expérimental obtenu a été comparé avec les champs de déplacement théoriques de la théorie élastique selon ses deux variantes : isotrope et anisotrope (2). Pour effecteur ces observations, les chercheurs ont développé une nouvelle technique de traitement d'images, dite « d'analyse des images de phase ».
Ils ont montré que c'est la théorie anisotrope qui est vérifiée, avec une précision de 3 pm : à une distance de quelques nanomètres du cœur de la dislocation, le cristal se déforme différemment selon les directions cristallographiques distinctes.

D'un point de vue fondamental, ces résultats permettent de confirmer expérimentalement la validité de la théorie anisotrope à l'échelle nanométrique. La méthode d'analyse des images de phase pourrait même être un moyen de mesurer l'anisotropie des cristaux. Il sera possible à l'avenir d'étudier les limites de la théorie anisotrope qui ne devrait plus être valable à l'approche du cœur des défauts.
D'un point de vue technique, cette étude a montré que la microscopie électronique en transmission à haute résolution est un formidable outil pour analyser et mesurer les champs de déformation à l'échelle atomique. Elle permettra en particulier de tester la modélisation des déformations dans de petits volumes, notamment dans les nanostructures électroniques, dont la performance et la fiabilité sont très dépendantes des contraintes.

Ces travaux ont été effectués dans le cadre du Groupement de Recherche Européen (GdRE) « Quantification et mesures en microscopie électronique en transmission».

Notes :

(1) Un picomètre est un mille milliardième de mètre(1pm = 10-12m), soit environ un centième des distances inter atomiques
(2) Isotrope : se dit d'un corps dont les propriétés physiques sont identiques dans toutes les directions.

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