D) Disques frittés de UO2 microcristallin

II.1.D) Disques frittés de UO2 microcristallin

Nous avons également analysé par diffraction de rayons X les systèmes à base de dioxyde d’uranium avec des protocoles expérimentaux analogues aux systèmes à base de dioxyde de cérium.

La Figure 72 présente la mesure par diffraction de rayons X en géométrie de Bragg Brentano réalisée sur la céramique microcristalline UO2 après l’implantation « Xe seul » à 1015 at/cm².

Figure 72 : Mesure DRX (courbe noire) sur le disque UO2 "Xe seul", son affinement de Rietveld (courbe rouge) et le résidu associé (courbe bleue)

116 Comme pour CeO2, nous observons des réflexions supplémentaires qui précèdent chaque réflexion de

la structure fluorine de l’échantillon vierge (présenté en chapitre 3). Ces réflexions supplémentaires issues de la couche implantée et endommagée peuvent s’indexer de façon systématique avec un paramètre de maille plus grand que la valeur « normale » du substrat et avec une structure de type fluorine. Il s’agit donc d’un gonflement isotrope. Le Tableau 23 rassemble les paramètres de mailles avant et après implantation Xe pour deux fluences. Ces fluences ont été utilisées pour les études par thermo-désorption et par SIMS et sont décrites dans la seconde partie de ce chapitre. L’étude à ces deux fluences montre l’effet additif du dommage et de l’implantation des ions Xe.

Tableau 23 : paramètres de maille avant et après implantation Xe

Paramètre de maille (Å)

Vierge 5,4721(2)

« Xe seul » 1015 at/cm² ^{couche implantée 5,5046(3)}

couche vierge 5,4706(2)

« Xe seul » 5.1013 at/cm² ^{couche implantée 5,5008(3)}

couche vierge 5,4721(2)

L’effet de gonflement suite à l’implantation ionique dans UO2 est un résultat très ancien et bien connu mais il continue à faire l’objet d’investigations [86]. Dans notre cas, ce résultat nous permet de caractériser les échantillons que nous utiliserons par la suite dans les études de mobilité des ions Xe lors de recuits et valider leur qualité.

Pour aller au-delà du simple constat de gonflement dans la région implantée, et voir si une approximation de milieu moyen homogène serait compatible pour l’ensemble de la couche implantée, nous avons essayé de modéliser l’effet de l’implantation sur quelques réflexions particulières.

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Figure 73 : Profondeur sondée par DRX en fonction de l'angle d'incidence

En effet, la profondeur sondée par le faisceau de rayons X au sein de la céramique UO2 dépend de l’angle d’incidence (Figure 73), variable dans la géométrie de Bragg Brentano que nous avons utilisé. Le code SRIM permet de calculer un profil de dommage et d’implantation pour les différents types d’implantations qui nous intéressent. La Figure 74 illustre schématiquement ce résultat pour le cas de l’implantation avec les ions Xe.

Figure 74 : En haut, profil d’implantation hogomène en comparaison avec le profil SRIM (concentration Xe et défauts créés) ; en bas schéma du système bicouche : couche implantée (a = 5,5046 Å) sur couche non implantée (a =

5,4706 Å)

A l’aide du logiciel de simulation du signal de diffraction de systèmes multicouches GID_SL [140], nous avons simulé quelques réflexions. A titre d’exemple, pour la réflexion (331), la profondeur totale sondée par le faisceau X est d’environ 2 micromètres. Nous avons testé le simple modèle d’une couche homogène d’épaisseur variable et gonflement égale à notre résultat de l’analyse Rietveld. Cette couche est superposée à un substrat vierge UO2. A l’aide du logiciel, nous avons calculé les signaux de diffraction de cet objet composite. En ajustant l’épaisseur de la couche, nous avons pu déterminer l’épaisseur optimum qui reproduit les intensités intégrées relatives effectivement mesurées sur notre échantillon. Le logiciel GID_SL ne prenant pas en compte les fonctions profils effectives du problème, nous avons utilisé les fonctions profil obtenues par méthode de Rietveld pour répartir les intensités. Le résultat est satisfaisant pour une couche modifiée élastiquement sur une épaisseur de 460 nm (Figure 75) en comparaison du calcul du profil d’implantation à l’aide de SRIM (Figure 74).

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Figure 75 : Simulation des pics 331 par un système bicouche, couche implantée de 460 nm d’épaisseur

Ce résultat peut être affiné sans difficulté par la définition de systèmes composés d’un nombre de couches plus important, mais il nous montre que la simple hypothèse d’un milieu élastique homogène est déjà en bon accord avec les prédictions de dommage et d’implantation obtenues avec le logiciel SRIM et présenté au chapitre 3.

La même analyse a été mise en œuvre pour l’échantillon implanté avec une dose 20 fois plus faible (5.1013 at/cm² au lieu 1015 at/cm²). Le gonflement observé est pratiquement identique (cf. Tableau 23), ce qui suggère que la région implantée est déjà saturée en xénon à 5.1013 at/cm² et que les ions de xénon supplémentaires précipitent sous forme de clusters et bulles. Ce résultat est cohérent avec les observations faites au MET par Michel et Sabathier [141] où l’apparition de nano-bulles de xénon dès 6.1012 at/cm², puis une augmentation de leur densité avec la fluence jusqu’à 2.1014 at/cm² est mise en évidence.

Comme pour le composé CeO2, nous avons ensuite analysé l’effet élastique des irradiations avec des ions I en régime électronique, utilisées pour produire des défauts au sein de la région implantée Xe, pour deux protocoles d’irradiation différents : simultanée « Xe et I » et séquentiel « Xe puis I ».

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Figure 76 : Mesures DRX d'un échantillon UO2 non implanté, après l'implantation « Xe seul », « Xe et I » et « Xe puis I »

Les résultats des mesures de la Figure 76 ne montrent pas de différence qualitative au niveau du gonflement et de la microstructure. Toutefois, alors que le Xe s’implante dans les premières centaines de nanomètres sous la surface de l’échantillon, les atomes d’iode s’implantent bien plus profondément (la plupart à environ 3 µm). Cette particularité fait que les premières réflexions des diagrammes sont sensibles uniquement au Xe et au dommage induit par le passage des ions I, tandis que les réflexions en fin de diagramme sont aussi sensibles aux effets de l’implantation des ions I (cf. Figure 73). A titre d’exemple, le faisceau X de la réflexion (111) avec 2 ~28° (Figure 77) est issu d’une profondeur sondée d’environ 800 nm et donc sans contribution de l’implantation des atomes d’iode dans la céramique UO2.

Figure 77 : Mesures DRX d'un échantillon UO2 non implanté, après l'implantation "Xe seul" et après l'implantation "Xe et I", zoom autour du pic (111)

L’évolution observée du paramètre de maille montre un recuit partiel des défauts liés à l’implantation Xe par les irradiations avec les ions I, ce qui est cohérent avec le paramètre de maille moyen de la région

120 implantée déterminé par affinement de Rietveld : 5,4990(2) Å pour « Xe et I » et 5,4916(2) Å pour « Xe

puis I ». D’après l’analyse des profils du signal de diffraction, non seulement le gonflement de la couche diminue mais aussi son hétérogénéité (microdéformation) car les largeurs de la réflexion (111) diminuent après irradiation avec des ions I (Tableau 24). Les irradiations I ont pour effet d’homogénéiser les sources des déformations dans la région implantée Xe de l’échantillon.

Tableau 24 : largeurs du pic (111) en fonction des séquences d'irradiation Position du pic (111) Largeur du pic (111)

Vierge 28,2460(11)° 0,354(3)°

« Xe seul » 28,0710(12)° 0,536(5)°

« Xe puis I » 28,1000(11)° 0,341(2)°

« Xe et I » 28,1390(13)° 0,384(2)°

La comparaison du pic (111) des échantillons « Xe puis I » et « Xe et I » montre que l’irradiation double-faisceau semble être légèrement moins efficace pour relâcher les micro-contraintes (pic du

« Xe puis I » plus fin), ce qui peut se comprendre car on continue à implanter du Xe pendant qu’on irradie avec du I.

L’effet de l’implantation par les ions I devient appréciable dans la partie du diagramme comprise entre 100°<2θ<130° (Figure 78) où la profondeur sondée dans UO2 est comprise entre 2,5 et 3 micromètres. Cette particularité explique l’intérêt d’étudier des couches minces denses d’UO2, mais cela n’a pas été possible pour les raisons que nous allons discuter dans la section suivante.

Figure 78 : Mesures DRX d'un échantillon UO2 non implanté, après l'implantation "Xe seul" et après l'implantation "Xe et I", zoom entre 100° et 130°