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Thèse Année : 2022

Collisions and confinement of interfaces in crystal growth

Collisions et confinement des interfaces en croissance cristalline

Bastien Marguet
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1244979
  • IdRef : 268967318

Résumé

This thesis is dedicated to the modeling of crystal growth in confined geometries. We consider two types of confinement, which are due either to the presence of another crystal or to the presence of an inert wall. The first type of confinement is encountered at the end of the growth of two-dimensional (2D) materials, when the domain edges of 2D materials meet to form grain boundaries. These grain boundaries contribute significantly to the physical properties of 2D materials, for example their thermal or electrical conductivity. Our goal is to describe the roughness of the grain boundary thus formed. We have developed a Langevin approach to describe the collision dynamics of the edges of 2D domains. This model predicts three regimes. In the first regime, characterized by sufficiently slow growth and sufficiently fast domain edge incorporation kinetics, the edge roughness grows monotonically with time before and after the collision. When the growth rate is higher, the roughness behaves in a non-monotonic way. It increases to a maximum before the collision, then decreases sharply during and just after the collision, then increases again after the collision to reach an equilibrium value. This non-monotonic regime is separated into two sub-regimes in which the initial roughness (before the maximum) comes respectively from statistical fluctuations or Mullins and Sekerka type morphological instabilities. These results are in good agreement with Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations. However, the KMC simulations indicate the presence of a fourth regime when the deposition rate is so large that the substrate is completely covered before the 2D material can grow. The behavior of the roughness in this new regime is analogous to that of the non-monotonic regimes. In addition, we have developed a second Langevin model that allows us to describe the evolution of the grain boundary roughness after the collision in quantitative agreement with the KMC simulations. The second type of confinement is encountered during the growth of crystals in the pores and interstices of geological rocks and building materials. The force exerted by the crystals on the walls during growth is an important source of degradation of these materials. In order to model the growth at the surface of a crystal in contact with a rough wall, we set up a phase field model. This model describes the dynamics of atomic steps under the influence of a rough wall. The first results show that in the vicinity of a wall protrusion, the crystal surface can present a stationary solution with a depression formed by one or more concentric steps. The number of steps of this depression depends on the force applied on the crystal. This result brings first microscopic elements for the understanding of the crystallization force.
Cette thèse est dédiée à la modélisation de la croissance cristalline dans des géométries confinées. Nous considérons deux types de confinement, qui sont dus soit à la présence d’un autre cristal, soit à la présence d’une paroi inerte. Le premier type de confinement est rencontré à la fin de la croissance des matériaux bidimensionnels (2D), lorsque les bords des domaines des matériaux 2D se rencontrent pour former des joints de grains. Ces joints de grain contribuent de façon importante aux propriétés physiques des matériaux 2D, par exemple leur conductivité thermique ou électrique. Notre but est de décrire la rugosité du joint de grain ainsi formé. Nous avons développé une approche de Langevin pour décrire la dynamique de la collision des bords des domaines 2D. Cette modélisation prédit trois régimes. Dans le premier régime, caractérisé par une croissance suffisamment lente et une cinétique d’incorporation des atomes au bord des domaines suffisamment rapide, la rugosité des bords croît de façon monotone avec le temps avant et après la collision. Lorsque la vitesse de croissance est plus grande, la rugosité se comporte de façon non-monotone. Elle augmente jusqu’à un maximum avant la collision, puis diminue fortement pendant et juste après la collision, puis augmente à nouveau après la collision pour atteindre une valeur d’équilibre. Ce régime non-monotone est séparé en deux sous-régimes dans lesquels la rugosité initiale (avant le maximum) provient respectivement des fluctuations statistiques ou des instabilité morphologiques de type Mullins et Sekerka. Ces résultats sont en bon accord avec des simulations Monte Carlo Cinétiques (KMC). Cependant les simulations KMC indiquent la présence d’un quatrième régime quand le taux de déposition est si grand que le substrat est complètement recouvert avant que le matériaux 2D ne puisse croître. Le comportement de la rugosité dans ce nouveau régime est analogue à celui des régimes non-monotones. De plus, nous avons développé un deuxième modèle de Langevin qui permet de décrire l’évolution de la rugosité du joint de grain après la collision en accord quantitatif avec les simulations KMC. Le deuxième type de confinement est rencontré lors de la croissance des cristaux dans les pores et les interstices des roches géologiques et des matériaux de construction. La force exercée par les cristaux sur les parois pendant la croissance est une source importante de dégradation de ces matériaux. Afin de modéliser la croissance à la surface d’un cristal en contact avec une paroi rugueuse, nous avons mis en place un modèle de champ de phase. Ce modèle décrit la dynamique des marches atomiques sous l’influence d’une paroi rugueuse. Les premiers résultats montrent qu’au voisinage d’une protubérance de la paroi, la surface du cristal peut présenter une solution stationnaire avec une dépression formée d’une ou de plusieurs marches concentriques. Le nombre de marches de cette dépression dépend de la force appliquée sur le cristal. Ce résultat apporte des premiers éléments microscopiques pour la compréhension de la force de cristallisation.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04059831 , version 1 (05-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04059831 , version 1

Citer

Bastien Marguet. Collisions et confinement des interfaces en croissance cristalline. Physique [physics]. Université Claude Bernard - Lyon I, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LYO10060⟩. ⟨tel-04059831⟩
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