Cοmpοrtement micrοscοpique de l'hydrοgène et des mοlécules hydrures en Sοnde Atοmique Τοmοgraphique

L’hydrogène est un élément dont son étude cause plusieurs problèmes (fragilisation des matériaux, conditions de stockage, difficultés liées à sa caractérisation…) en raison de sa faible masse et de sa haute diffusivité dans les matériaux. La sonde atomique tomographie (SAT) est une technique expérimentale dotée d’une résolution spatiale proche de l’atome pour la détection et la localisation d’atomes uniques dans un volume nanométrique. Cependant l’étude de l’hydrogène avec cette technique reste un défi d’actualité. Car sa présence en tant que gaz résiduel (H2) dans la chambre d’analyse génèrent diverses contraintes sur sa localisation et sa quantification dans les matériaux. Sous champ suffisamment élevé (environ 22 V/nm), l’hydrogène parasite peut être détecté sous forme de H+, H2+, H3+ et sous forme de molécules complexes MHx+ (molécules d’hydrure) induisant des problèmes de discrimination avec l’hydrogène dans les matériaux. Cette thèse vise à étudier les comportements microscopiques des espèces hydrogène en SAT sous l’effet du champ de surface. Plusieurs systèmes ont été principalement analysés : les semiconducteurs III-N (hétérostructures AlGaN/GaN, massif AlGaN, nanocristaux d’InN), le zirconium pur et l’hydrure de zirconium obtenu par chargement électrochimique. En SAT, le champ a une forte influence sur l’évaporation et la détection des espèces hydrogène. Plus le champ est élevé, plus des molécules de H2 sont dissociées et plus d’espèces H+ sont détectées. Lorsque le champ est faible, la formation de molécules H2+, H3+ et d’hydrures est favorisée suivant des réactions qui peuvent survenir à la surface des matériaux sous l’influence du champ électrique. Dans le cas des molécules hydrures, leur formation peut également dépendre de l’orientation cristallographique et de l’affinité entre l’hydrogène et certains éléments de la matrice. De plus, des simulations numériques ont permis de prédire les possibilités de formations de molécules d’hydrures. Des calculs de composition ont rendu possible la quantification de la teneur en hydrogène dans les matériaux. L’étude des événements de détection multiples, c’est-à-dire d’ions détectés simultanément après une impulsion laser et donc fortement corrélés dans le temps, a apporté des éléments d’interprétation utiles pour aborder la problématique de distinction entre l’hydrogène parasite et l’hydrogène réellement présent dans les matériaux.