Une nouvelle méthode d'orientation de la croissance cristalline permet de manipuler les propriétés des matériaux
Une méthode de croissance monocristalline s'est avérée efficace pour contrôler l'orientation.
Une nouvelle méthode de croissance de monocristaux et de contrôle simultané de leur orientation de croissance sans traitement à l'état fondu a été découverte par le Dr Hande Ozcan, titulaire d'un doctorat en science et ingénierie des matériaux de l'université Texas A&M, et le Dr Ibrahim Karaman, chef du département et professeur à Chevron.
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La découverte de cette nouvelle méthode de croissance et de contrôle de l'orientation des cristaux à l'état solide a été récemment publiée dans la revue Acta Materialia. L'article de recherche porte sur la croissance de grands monocristaux et leur capacité à modifier leur orientation cristallographique. L'orientation cristallographique décrit l'alignement des cristaux dans un spécimen en vrac.
"Nous travaillons sur les monocristaux depuis trois décennies, mais la croissance des cristaux par fusion et le contrôle de leur orientation ont été assez difficiles", a déclaré M. Karaman. "La méthode découverte par Hande nous fait gagner beaucoup de temps et offre plus de flexibilité. Il y a encore beaucoup à explorer ; c'est ce qui nous rend enthousiastes à propos de cette nouvelle méthode."
Selon le document de recherche, le contrôle de la taille, de la forme et de l'orientation cristallographique des monocristaux est essentiel pour exploiter les propriétés souhaitées. Selon Ozcan, cette méthode est importante pour les applications qui nécessitent des matériaux aux propriétés anisotropes.
"Ce mécanisme permet à ces matériaux de changer leur orientation à l'état solide sans avoir recours à des techniques lourdes et coûteuses de traitement par fusion. Ceci est important car ces matériaux présentent des propriétés différentes lorsqu'ils ont des directions cristallographiques différentes", a déclaré Ozcan.
Pour la première fois, Ozcan a vu que les orientations cristallographiques peuvent être modifiées à cette grande échelle.
"En effet, grâce aux méthodes de l'état solide, nous pouvons non seulement faire croître très facilement de grands monocristaux, mais aussi jouer avec leur orientation cristallographique", a déclaré M. Ozcan.
Les monocristaux sont essentiels à la microélectronique, aux cristaux optiques, aux dispositifs magnétiques, aux cellules solaires, aux composants piézoélectriques et aux alliages multifonctionnels. Un exemple d'utilisation spécifique de ces matériaux est celui des alliages multifonctionnels à mémoire de forme. Ces matériaux peuvent changer de forme et se rétablir après application d'une chaleur ou d'une contrainte.
"Par exemple, vous pouvez déformer le matériau lorsque vous appliquez une charge, mais lorsque vous le relâchez, il reprend sa forme initiale", explique M. Ozcan.
Ces propriétés dépendent fortement de l'orientation du monocristal ; certaines orientations présentent cette récupération de manière parfaite, d'autres non. Le contrôle de l'orientation est donc essentiel pour obtenir des propriétés fonctionnelles supérieures.
Un autre avantage de cette technique, selon le document de recherche, est qu'elle ne nécessite pas d'équipement complexe et coûteux.
Traditionnellement, les techniques de croissance à l'état fondu, appelées procédés Bridgman et Czochralski, sont utilisées pour obtenir de grands cristaux avec une orientation préférée. Cependant, le contrôle de l'orientation du cristal reste un défi.
Ces méthodes reposent sur la disponibilité de cristaux d'ensemencement appropriés, une nucléation précise et le contrôle du profil thermique pendant le traitement.
En raison de cette complexité, ces méthodes sont très coûteuses. La nouvelle méthode s'appelle la technique de croissance de cristaux à l'état solide (SSCG), une méthode qui permet de fabriquer de grands cristaux en vrac avec différentes orientations cristallographiques par de simples traitements thermiques.
Dans ce procédé, les cristaux produits sont plus polyvalents et peuvent atteindre une meilleure homogénéité chimique que dans les techniques de croissance par fusion traditionnellement utilisées.
L'équipe de recherche de Texas A&M a démontré la méthode SSCG dans deux systèmes d'alliage, FeMnAlNi et CuMnAl, et a obtenu des changements d'orientation massifs et répétés à l'état solide.
Ces résultats offrent une nouvelle stratégie pour manipuler l'orientation de grands monocristaux à la demande afin de tirer parti de leurs propriétés supérieures et hautement anisotropes, selon l'article de recherche.
"Ce processus fonctionne avec des matériaux qui ont des précipités semi-cohérents et qui ont des régions biphasées dans leur diagramme de phase", a déclaré Ozcan. "Lorsque vous faites passer plusieurs fois le matériau d'une température élevée à une température basse dans une région biphasée, les précipités se nucléent et se dissolvent, laissant derrière eux des limites de sous-grains. Ensuite, les grains commencent à croître, diminuant l'énergie excédentaire des limites des sous-grains. Ces grains continuent à croître et à fusionner, et finalement, vous pouvez obtenir un monocristal."
Lorsque vous continuez à cycler le matériau après qu'il soit devenu un monocristal, il n'y a pas d'autres moyens de réduire l'excès d'énergie dans le système, et cela active un mécanisme qui change son orientation cristallographique.
"Nous avons en fait découvert cette technique alors que nous travaillions sur autre chose. Nous n'avions pas pour objectif spécifique de changer l'orientation cristallographique", a déclaré Ozcan. "Nous travaillions simplement sur la croissance de grands monocristaux".
Au cours de ce processus, Ozcan et l'équipe ont constaté qu'en quelques cycles seulement, les alliages se transformaient en monocristaux, et avec des cycles supplémentaires, elle a réalisé que l'orientation des monocristaux commençait à changer complètement.
"J'ai montré les résultats au Dr Karaman, et j'étais tellement excitée", a-t-elle déclaré. "Après cela, nous avons commencé à comprendre ce qui se passait et pourquoi l'orientation des cristaux changeait ; nous avons essayé différentes méthodes et programmes de traitement afin de manipuler ce changement.
Cette découverte va ouvrir de vastes domaines de recherche, a-t-elle ajouté. Ce n'est que le début de cette nouvelle voie passionnante pour trouver de nouveaux matériaux.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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