Déformation et déplacement relatif des sous-structures des cristaux complexes

7 juillet 2023

Des chercheurs du CEMES ont proposé deux méthodes de traitement des images HR-(S)TEM dans l’espace réciproque, appelées AbStrain et Relative Displacement. AbStrain permet la quantification et la cartographie des distances et angles interplanaires, des champs de déplacement et des composantes du tenseur de déformation relatives à un réseau de Bravais défini par l’utilisateur. Relative Displacement fournit des déplacements atomiques entre sous-structures, lorsqu’un cristal est composé de deux ou plusieurs types d’atomes.

Pour le traitement des images HR-TEM et HR-STEM dans l’espace réciproque comme l’analyse de phase géométrique (GPA), nous avons surmonté la limitation de l’utilisation d’une structure cristalline de référence similaire présente sur le même champ de vue, en traitant directement la zone d’intérêt corrigée des différents types des distorsions d’image spécifiques à l’imagerie HR-TEM et HR-STEM. Nous avons proposé de reconstruire les champs de déplacement et les composantes du tenseur de déformation de la structure imagée relatives à un réseau de Bravais défini par l’utilisateur en développant la méthode AbStrain, selon deux approches. La première fournit les composantes d’un tenseur de déformation absolu et d’une rotation rigide en utilisant les cartographies de vecteurs réciproques mesurés et celles du réseau de Bravais. Le champ de déplacement est alors calculé par intégration. Alternativement, la deuxième approche permet de reconstruire un champ de déplacement absolu relatif à un réseau de Bravais, à partir duquel déformation et rotation sont obtenues par dérivation partielle. Les distances et les angles interplanaires sont reconstruits dans les deux approches à partir du tenseur de déformation absolu et des cartographies de rotation du corps rigide.

Nous avons également présenté la méthode, appelée Relative Displacement, qui permet d’extraire des images de sous-structures, lorsqu’un cristal est composé de deux ou plusieurs types d’atomes, et de mesurer les déplacements atomiques d’une sous-structure par rapport à l’autre, sans avoir besoin de tenir compte des distorsions d’image et de connaître les caractéristiques structurales du cristal. Cette approche présente un intérêt pour les semi-conducteurs complexes et les oxydes fonctionnels où les déplacements reliés à la polarisation existent.

Les deux méthodes proposées ici élargissent le domaine d’investigation en termes de matériaux cristallins qui peuvent être analysés par le traitement de leurs images HR-(S)TEM. Nous pouvons citer de façon non exhaustive, les nanoparticules intégrées dans différents types de matrices, les nanofils, les joints de grains à angle élevé, les multiples empilements d’hétérostructures d’oxydes complexes et de semi-conducteurs et les domaines antiphases.

Publication :
Quantitative mapping of strain and displacement fields over HR-TEM and HR-STEM images of crystals with reference to a virtual lattice
Cherkashin, A. Louiset, A. Chmielewski, D.J. Kim, C. Dubourdieu, S. Schamm-Chardon
Ultramicroscopy 253 (2023) 113778
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2023.113778

Contact :
Nikolay Cherkashin | nikolay.cherkashin[chez]cemes.fr