Doctorant.e à FZJ étudiant l'évolution microstructurale sous irradiation ionique à haute résol. TEM (F/H)

Sujet de thèse : Evolution microstructurale à haute résolution temporelle sous irradiation ionique.

La microscopie électronique à transmission in situ (TEM) est une technique de caractérisation puissante qui peut être utilisée pour fournir une compréhension complète des relations microstructure-propriétés dans les systèmes de matériaux en présence de différents stimuli proches des conditions opérationnelles. Ces connaissances sont essentielles pour concevoir des matériaux avancés aux propriétés physiques et mécaniques optimisées, en particulier pour les applications liées à l'énergie (par exemple, les cellules solaires), l'aérospatiale et le nucléaire, où les matériaux sont exposés à l'irradiation ionique.

Bien que les effets de l'irradiation ionique aient été largement étudiés en comparant les microstructures avant et après l'exposition et en fonction de la dose d'irradiation et de la température sur des périodes pouvant aller jusqu'à plusieurs années, les observations en temps réel de l'évolution des matériaux pendant les interactions ioniques restent largement inexplorées. Ces connaissances sont cruciales pour comprendre les processus transitoires et la dynamique des défauts, afin de concevoir les matériaux et les dispositifs de la prochaine génération.

Ce projet de doctorat s'appuiera sur la TEM dynamique (DTEM) pour visualiser directement et en temps réel les changements microstructuraux irréversibles dans les matériaux, en capturant les transformations sur des échelles de temps allant de la nanoseconde à la microseconde avec une résolution spatiale proche de l'atome. Le projet sera le premier à observer directement les cascades de déplacements atomiques induits par des ions de haute énergie et les réarrangements atomiques ultrarapides qui y sont associés. Il permettra de progresser dans la prédiction et, à terme, dans l'atténuation de leurs effets néfastes sur les matériaux. En outre, il permettra de mieux comprendre les principes fondamentaux des transitions rapides capables d'améliorer la transition vitreuse, la recristallisation et le rajeunissement des métaux amorphes. Les expériences reproduiront le plus fidèlement possible les conditions de travail réelles en intégrant la température, l'atmosphère, l'humidité et l'éclairage laser (lumière blanche ou infrarouge). Le processus d'irradiation ionique sera contrôlé en réglant des paramètres tels que l'isotope de l'ion, l'énergie, le flux et le débit. Les principaux domaines d'intérêt sont les suivants :

·         Évolution de la cascade de déplacement

·         Suivi de l'évolution de la microstructure et de la dynamique des défauts.

·         L'étude des transitions de phase sous irradiation.

Des simulations de la formation de cascades de déplacements et de l'évolution de la microstructure par des calculs de dynamique moléculaire, de Monte Carlo cinétique et de théorie du taux cinétique viendront compléter les résultats expérimentaux, afin d'améliorer la compréhension des phénomènes observés. Des techniques avancées de traitement d'images seront également appliquées pour analyser les images enregistrées à faible dose. Au-delà de l'irradiation ionique, le projet explorera comment l'illumination laser et les forces mécaniques peuvent influencer la stabilité de la microstructure.

Le Centre Ernst Ruska pour la microscopie et la spectroscopie à l'aide d'électrons (ER-C) du Forschungszentrum Jülich servira d'institut hôte en collaboration avec l'ETH Zurich. L'ER-C abrite une collection de classe mondiale de microscopes électroniques de pointe, permettant des études à haute résolution des matériaux et des dispositifs avec une résolution spatiale, énergétique et temporelle exceptionnelle.

Ce projet est mené en collaboration avec le Laboratory of Metal Physics and Technology (LMPT), qui fait partie du département des matériaux de l'ETH Zurich, et qui compte des experts en processus d'endommagement par rayonnement et en transitions de phase rapides dans les matériaux. Des séjours de recherche prolongés à l'ETH Zurich permettront d'accéder à une expertise complémentaire et à la préparation d'échantillons métalliques, ainsi qu'à des instruments de microscopie avancés supplémentaires au centre de microscopie (ScopeM) de l'ETH Zurich.