Thèse Effets de l'Irradiation Ionique sur l'Évolution Microstructurale d'Aln H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
Direction de la thèse : Stéphanie JUBLOT-LECLERC
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-10T23:59:59

Des matériaux isolants et optiques seront utilisés dans les futurs réacteurs nucléaires pour fonctionner dans une variété d'applications parmi lesquelles les systèmes de diagnostic. Des isolants seront également nécessaires, par exemple, en tant que revêtements dans certains concepts de réacteurs à fusion [1]. Parmi cette classe de matériaux, les nitrures du groupe III ont suscité un grand intérêt en tant que semi-conducteurs à bande interdite directe avec des propriétés exceptionnelles les rendant parfaitement adaptés aux dispositifs électroniques et optoélectroniques [2-4]. Ils sont de plus en plus utilisés dans l'électronique de puissance et les transistors à haute mobilité électronique [5] et sont des candidats potentiels pour l'électronique haute température, haute puissance, haute fréquence et courte longueur d'onde dans des environnements radiatifs comme dans l'espace [6,7]. Ils sont connus comme étant très résistants à l'amorphisation sous irradiation [8], ce qui les rend particulièrement adaptés comme matériaux isolants et optiques pour être utilisés dans les futurs réacteurs de fusion. L'AlN, en particulier, a été proposé comme revêtement isolant dans les concepts de réacteurs à fusion auto-refroidis avec des métaux liquides pour minimiser la force MHD et empêcher la perméation du tritium [1]. Ces applications dans les réacteurs à fusion nécessitent que le matériau résiste aux effets des neutrons de 14 MeV avec la production à la fois d'He et d'H à des taux élevés [9,10]. Il est par conséquent impératif de clarifier les mécanismes responsables de la dégradation des propriétés des matériaux sous irradiation et injection de gaz et soumis simultanément à une température élevée. Pourtant, jusqu'ici, très peu d'études ont visé à comprendre le comportement d'AlN sous irradiation ou implantation ionique. Une première thèse au sein de l'équipe Chimène du pôle Energie et Environnement d'IJCLab s'est en particulier focalisée sur les aspects injection de gaz en étudiant les effets de l'implantation d'ions He sur des couches minces d'AlN monocristallines (thèse de Gabriel Bouhali, Université Paris-Saclay 2023) [11, 12]. Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans la continuité de cette étude qui offre de nombreuses perspectives. Il s'agira d'étudier finement les modifications microstructurales de ces couches d'AlN monocristallines irradiées avec des ions de différentes masses, et dans différentes conditions, en couplant les techniques de diffractions des rayons X, microscopie électronique en Transmission et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en canalisation (RBS/C). La diffraction des rayons X, utilisée ex situ mais également in situ sous irradiation grâce au développement récent d'une nouvelle ligne d'irradiation sur la plateforme MOSAIC d'IJCLab, permettra l'obtention de cinétiques précises de développement de la déformation élastique en lien avec la formation de défauts ponctuels dans le matériau pendant l'irradiation. De la même manière, la RBS/C pourra être utilisée ex situ et in situ, et permettra une quantification du désordre liée à la formation de défauts ponctuels et étendus. La simulation des spectres de RBS/C et des courbes de diffraction des rayons X permettra de quantifier avec précision la contribution des défauts ponctuels et celle des défauts étendus à l'endommagement mesuré. La microscopie électronique en Transmission réalisée sur la plateforme MOSAIC à IJCLAb, et ponctuellement sur un microscope hautement résolu en collaboration (C2N, Palaiseau), sera utilisée pour identifier précisément les types de défauts étendus créés. L'utilisation de cet ensemble de techniques très complémentaires devrait permettre d'identifier précisément les mécanismes responsables des variations de microstructures observées en fonction des paramètres de l'irradiation. Elle permettra l'obtention de données fondamentales nécessaires à la compréhension du comportement sous irradiation de l'AlN.

Des matériaux isolants et optiques seront utilisés dans les futurs réacteurs nucléaires pour fonctionner dans une variété d'applications parmi lesquelles les systèmes de diagnostic. Des isolants seront également nécessaires, par exemple, en tant que revêtements dans les concepts de réacteurs à fusion auto-refroidis avec des métaux liquides (Li, Pb-Li...) pour minimiser la force magnétohydrodynamique (MHD) qui se produit lorsqu'un fluide conducteur circule dans un champ magnétique et qui entraverait le refroidissement par le métal liquide [1]. Parmi cette classe de matériaux, les nitrures du groupe III ont suscité un grand intérêt en tant que semi-conducteurs à bande interdite directe avec des propriétés exceptionnelles les rendant parfaitement adaptés aux dispositifs électroniques et optoélectroniques [2-4]. Ils sont de plus en plus utilisés dans l'électronique de puissance et les transistors à haute mobilité électronique [5] et sont des candidats potentiels pour l'électronique haute température, haute puissance, haute fréquence et courte longueur d'onde dans des environnements radiatifs comme dans l'espace [6,7]. Ils sont connus comme étant très résistants à l'amorphisation sous irradiation [8], ce qui les rend particulièrement adaptés comme matériaux isolants et optiques pour être utilisés dans les futurs réacteurs de fusion. L'AlN, en particulier, a été proposé comme revêtement isolant dans les concepts de réacteurs à fusion auto-refroidis avec des métaux liquides pour minimiser la force MHD et empêcher la perméation du tritium [1]. Ces applications dans les réacteurs à fusion nécessitent que le matériau résiste aux effets des neutrons de 14 MeV avec la production à la fois d'He et d'H à des taux élevés [9,10]. Les matériaux face au plasma seront également exposés à des flux intenses d'He et d'H de faible énergie. Il est par conséquent impératif de clarifier les mécanismes responsables de la dégradation des propriétés des matériaux sous irradiation et injection de gaz et soumis simultanément à une température élevée. Il est en particulier nécessaire d'éviter la formation de fissures qui entrainerait une diminution du pouvoir isolant du revêtement. Pourtant, jusqu'ici, très peu d'études ont visé à comprendre le comportement d'AlN sous irradiation ou implantation ionique, en particulier sous injection de gaz. Une première thèse au sein de l'équipe Chimène du pôle Energie et Environnement d'IJCLab s'est en particulier focalisée sur les aspects injection de gaz en étudiant les effets de l'implantation d'ions He sur des couches minces d'AlN monocristallines (thèse de Gabriel Bouhali, Université Paris-Saclay 2023) [11, 12]. Des expériences préliminaires comparant des irradiations avec des ions de différentes masses ont par ailleurs abouti à des résultats intéressants, grâce en particulier à l'utilisation de la diffraction des rayons X en haute résolution sur ces couches minces monocristallines. Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans la continuité de cette étude qui offre de nombreuses perspectives.

- Comparer les modifications microstructurales induites dans AlN par irradiations d'ions de différentes masses et dans différentes conditions en utilisant des outils de caractérisation complémentaires
- Quantifier de manière précise les contributions des défauts ponctuels et des défauts étendus au désordre mesuré selon les conditions d'irradiation
- Obtenir des données fondamentales nécessaires à la compréhension du comportement sous irradiation de l'AlN