Evolution de la microstructure

Observations MET

Ces observations en champ clair permettent de suivre l’évolution de la microstructure et de mettre en évidence la présence éventuelle de bulles. La figure 3.23 présente des micrographies obtenues sur deux échantillons implantés à 10¹⁶ Xe.cm^-2 recuits 1 et 16 heures à 1800°C.

Figure 3.23 Micrographies MET de deux échantillons implantés à 10¹⁶ Xe.cm^-2 et recuits (a-b) 1 et (c-d) 16 heures à 1800°C

Les figures 3.23.a et 3.23.c montrent la présence de franges plus sombres, correspondant à des murs de dislocations, qui sont générés lors du frittage par SPS. A plus fort grossissement, nous remarquons l’existence de bulles facettées de forme carrée majoritairement situées à proximité des murs de dislocations (Fig. 3.23.b-d).

A partir des images MET, la densité surfacique et la taille des bulles ont pu être évaluées en réalisant un comptage sur 700 bulles environ. Leurs densités restent constantes et sont estimées respectivement

Chapitre 3 : Comportement thermique du xénon dans ZrCxO1-x en fonction de la température

123 Figure 3.24 Distributions de la taille des bulles de deux échantillons implantés à 10¹⁶ Xe.cm^-2 et recuits

(a) 1 et (b) 16 heures à 1800°C

Nous avons choisi d’ajuster ces distributions par deux gaussiennes dont la somme représente plus de 80 % de l’aire totale. Il est à noter que, dans la littérature, des distributions de tailles de bulles bimodales ont été observées pour des échantillons de UO2 implantés en xénon à basse fluence (390 keV, 7 x 10¹⁴ Xe.cm^-2) [Michel11].

Le tableau 3.3 présente les tailles des distributions de bulles et les sigmas associés.

1800°C 1 h 1800°C 16 h Première population Deuxième population Première population Deuxième population Taille ± ı (nm) ^{1,2 ± 0,1 1,6 ± 0,1 1,1 ± 0,1 1,5 ± 0,3}

Tableau 3.3 Tailles des bulles observées dans les échantillons implantés à 10¹⁶ Xe.cm^-2et recuits 1 et 16 heures à 1800°C

On voit dans le tableau 3.1 que les deux populations de bulles après 1 et 16 heures de recuit ont des tailles respectives de 1,2 et 1,1 ± 0,2 nm, et de 1,6 et 1,5 ± 0,2 nm. Les caractéristiques des deux populations de bulles n’évoluent donc pas, ce qui est en bon accord avec les analyses RBS montrant une stabilité des profils de xénon. On en déduit par conséquent que le xénon est piégé dans les murs de dislocations sous forme de bulles nanométriques jusqu’à 16 heures de recuit à 1800°C.

Mesures par PAS-DBS

Les analyses par spectroscopie d’annihilation de positons en utilisant l’élargissement de la raie d’annihilation des positons par effet Doppler (PAS-DBS) ont été réalisées sur les échantillons avant et après implantation pour comprendre l’effet de l’implantation sur la microstructure (Annexe 4).

De premières expériences ont été réalisées sur des échantillons ayant une taille de grains de l’ordre de (3 ± 2) μm afin de caractériser l’effet du précuit de polissage. Puis, pour déterminer l’effet de l’implantation et des traitements thermiques sur la microstructure, les analyses par PAS-DBS ont été effectuées sur des échantillons standards d’une taille de grains de (1 ± 0,5) μm.

Avant implantation

La figure 3.25 montre l’évolution de la fraction d’annihilation de faible moment S en fonction de l’énergie des positons E (Fig. 3.25.a) et l’évolution de cette même fraction en fonction de la fraction d’annihilation de fort moment W (Fig. 3.25.b). Le programme Vepfit a été utilisé afin d’ajuster les résultats expérimentaux. Les spectres S(E) ont été modélisés par une structure à deux couches, avec une couche de surface endommagée et une couche en profondeur (bulk).

Figure 3.25 Variation de S en fonction de (a) l’énergie des positons E et (b) de W pour un échantillon poli et précuit de polissage. Les symboles représentent les points expérimentaux. Les lignes

correspondent à (a) l’ajustement par Vepfit et à (b) un ajustement linéaire

L’échantillon poli présente un maximum pour le paramètre S(E) dans une zone comprise entre 0 et 150 nm correspondant à la zone d’implantation. En revanche, pour l’échantillon précuit de polissage, le pic s’atténue fortement et une diminution du profil est observée sur toute la profondeur sondée (Fig. 3.25.a). Ceci indique que la préparation des échantillons conduit à la formation de défauts de type lacunaire, dans lesquels les positons sont piégés. Le précuit polissage permet de réduire la quantité de défauts en surface et en profondeur de l’échantillon.

Chapitre 3 : Comportement thermique du xénon dans ZrCxO1-x en fonction de la température

125

Après implantation

Les figures 3.26.a et 3.26.b montrent l’évolution de S en fonction de l’énergie et de W pour un échantillon implanté à 10¹⁶ Xe.cm^-2, implanté et précuit, recuit 1 et 16 heures à 1800°C.

Figure 3.26 Variation de S en fonction de (a) l’énergie des positons E et de (b) W pour un échantillon implantés à 10¹⁶ Xe.cm^-2, implanté et précuit, recuit 1 et 16 heures à 1800°C. Les symboles représentent les points expérimentaux. Les lignes correspondent à (a) l’ajustement par Vepfit et à (b)

un ajustement linéaire

En comparant le profil du précuit de polissage et de l’implanté, on note que l’implantation induit une nette augmentation du paramètre S(E). L’augmentation se poursuit après chaque traitement thermique (précuit d’implantation et recuits à 1800°C).

Pour tous les échantillons, les points expérimentaux S(W) s’alignent sur des droites se coupant en un même point, dont les paramètres sont caractéristiques de l’annihilation des positons dans le réseau. Les coefficients directeurs sont présentés dans le tableau 3.4. On note que, pour l’échantillon implanté et précuit, les points sont un peu plus dispersés.

Précuit de polissage Implanté Implanté et précuit 1800°C 1 h 16 h

Valeur absolue

de la pente ^{0,73 1,38 1,82 1,83 1,83}

Evolution de la pente

Tableau 3.4 Valeurs absolues et évolution des pentes des droites d’ajustement de S(W). L’erreur sur la pente S(W) est de l’ordre de ± 0,03 [Djourelov11].

Pour l’échantillon implanté, la pente de la droite S(W) augmente en même temps que S(E) ce qui indique que les positons détectent les défauts lacunaires créés par l’implantation. Le précuit d’implantation entraîne une augmentation de la pente S(W) jusqu’à une valeur de 1,82. Puis, pour l’ensemble des échantillons implanté et précuit, recuit 1 et 16 heures à 1800°C, les pentes des droites S(W) restent constantes, ce qui indique que les défauts présents dans ces échantillons sont de même nature. Les observations MET ayant montré l’existence de bulles de xénon au bout de 1 heure de recuit à 1800°C, il est probable que ces défauts témoignent de la présence de bulles.

L’augmentation de S(E) entre le précuit d’implantation et le recuit de 16 heures à 1800°C traduit l’augmentation de la taille et/ou de la densité des bulles.