Atomic-scale study of stressed surfaces : the niobium case
Étude de surfaces sous contrainte à l'échelle atomique : application au cas du niobium
Résumé
The plastic deformation of body-centred cubic metals is the subject of extensive studies since more than half a century. It is now well established that the screw dislocations control the plasticity of these metallic metals. The reason for this is attributed to a non-planar configuration of the core of these dislocations, which induces a high friction force usually referred to as ‘pseudo-Peierls’. The underlying elementary mechanism is the thermally activated nucleation of kink pairs. While perfect screw dislocations do not have specific glide plane, the non-planar core configuration limits the number of possible slip planes. The slip traces observed at the meso and microscopic scales are wavy, which has leaded to the proposal of several possible slip planes.In this context, we propose an analysis at a finer scale, i.e. the atomic scale, of the slip traces produced by compressive stress on niobium single crystals at three temperatures in the thermally activated temperature regime, namely: 293 K, 200 K and 90 K. The analyses were carried out using a scanning tunnelling microscope under ultra-high vacuum environment. At this scale of observation, the slip traces are made up of crystallographic segments that can be associated with {011} and {112} planes. It is also noticeable that at 200 K and 293 K dislocation glide is observed in both the twinning and the anti-twinning directions. More importantly, all slip traces include segments that belong to {011} planes strongly supporting the latest ab initio atomistic simulations predicting a compact core configuration for screw dislocation.In this study, we also established that, at T = 293 K and 200 K, the sample surface may undergo drastic changes of its vicinal terraces, when they are close to emerging dislocations. The calculation of interaction forces, in the frame of isotropic linear elasticity, indicates that dislocations close to vicinal terraces do not play a major role regarding the stable positions of the vicinal terraces. However, they locally modify the chemical potential of the surface, thus enhancing atomic diffusion which is at the origin of the surface reorganisations experimentally observed.
Les mécanismes de déformation plastique des matériaux cubiques à corps centré sont étudiés depuis plus d’un demi-siècle. Il est maintenant bien établi que les dislocations vis contrôlent la plasticité de ces matériaux. Ceci est dû à une structure non-plane du cœur de ces dislocations, qui induit une forte friction de réseau communément appelée ‘pseudo-Peierls’. Le mécanisme supposé est la nucléation thermiquement activée de paires de décrochements. Cette structure de cœur particulière limite également les plans de glissement possibles. Les traces de glissement aux échelles méso et microscopiques apparaissent ‘ondulées’, ce qui a amené à proposer toute une variété de plans de glissement.Dans ce contexte, nous avons analysé à une échelle plus fine, i .e. à l’échelle atomique, les traces de glissement obtenues par déformation en compression de monocristaux de niobium à des températures situées dans le régime de température thermiquement activé: 293 K, 200 K et 90 K. L’analyse par microscopie à effet tunnel sous environnement ultra vide indique qu’à la résolution atomique chaque trace de glissement peut être décomposée en segments associés à des plans de type {112} et {110}. De manière surprenante, il est mis en évidence qu’à 293 K et 200 K du glissement se produit à la fois dans le sens maclage et antimaclage. De plus, toutes les traces de glissement impliquent du glissement sur des plans de type {110}, étayant ainsi la structure de cœur compact prévue par simulations atomistiques ab initio.L’étude in situ de la surface sous contrainte, à T = 293 K et 200 K, a aussi mis en évidence des réorganisations, voire des disparitions, de terrasses atomiques au voisinage de dislocations émergentes. Le calcul des forces d’interaction en élasticité linéaire isotrope montre que les dislocations proches de ces terrasses ne jouent pas de rôle prépondérant sur la position d’équilibre des terrasses. En revanche, celles-ci modifient localement le potentiel chimique de surface, favorisant la diffusion atomique à l’origine des réorganisations de surface constatées expérimentalement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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