Institut des
NanoSciences de Paris
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Soutenance de Zongbei Dai - Vendredi 15 décembre 2017 à 14 h

Zongbei Dai, doctorante dans l’équipe Oxydes en basses dimensions, soutient sa thèse le vendredi 15 décembre 2017 à 14 h.

INSP - UPMC - 4 place Jussieu - 75005 Paris - Barre 22-23, 3e étage, salle 317

Orientation-dependent segregation and oxidation

Résumé

Des monocristaux A2 de Fe0.85Al0.15 de terminaison (110), (100) et (111) ont servi de modèle pour étudier la ségrégation d’Al et l’oxydation d’aciers industriels à l’Al en combinant LEED, XPS, STM et GIXD. Toutes les surfaces propres sont sujettes à une intense ségrégation d’Al lors de recuits > 700 K. Au-delà de 1000 K, un quasi-équilibre est atteint et la couche concernée de 2-3 nm adopte une composition proche de la structure B2. Cependant, toutes les surfaces se comportent différemment en termes de reconstruction. La surface (110) développe une superstructure pseudo-hexagonale de 2nm avec une modulation incommensurable dans le plan. La surface (100) est toujours terminée (1×1) avec une apparence marbrée attribuée à un contraste électronique et chimique. La surface (111) est localement rugueuse avec des protrusions triangulaires nanométriques en raison d’un facettage induit par la ségrégation. La tendance à la ségrégation est confirmée par des calculs ab initio. L’oxydation à haute température par O2 de ces surfaces conduit à une oxydation sélective de l’Al et à la formation de films d’alumine d’épaisseur 1-2nm. Des oxydes ordonnés croissent sur les faces (110) et (100) alors que des îlots apparaissent sur la face (111). Les sous-surface de (110) et (111) oxydés sont déplétées en Al et adoptent la structure D03 alors que celle de (100) ne varie pas. A la surface (110), l’alumine croit sous forme de deux domaines ayant une maille quasi-rectangulaire de (18.5 × 10.5) Å2 et un accord (2×1)ox. Le film d’oxyde à la surface (100) présente deux domaines (2×1) sous la forme de bandes orthogonales ; une explication plausible est la formation d’une structure distordue θ-Al2O3.

Abstract

A2 Fe0.85Al0.15 single crystals with low-index orientations (110), (100) and (111) have been chosen as a model system to study the Al segregation and oxidation of industrial Al-alloyed steels by using combined techniques (LEED, XPS, STM, GIXD). All clean surfaces are prone to intense Al segregation when annealed at > 700 K. After 1000 K, a quasi-equilibrium is reached and the impacted layer of 2-3 nm has a composition close to the B2 structure. But all the surfaces behave differently in terms of reconstruction. The (110) surface develops a 2 nm pseudo-hexagonal superstructure with an incommensurate in-plane modulation. The (100) surface is always (1×1) terminated with a marbled-like appearance assigned to an electronic and chemical contrast. The (111) surface is locally rough with nanometric three-fold protrusions due to segregation-induced faceting involving (111) vicinal surfaces. The segregation trend is confirmed through ab initio calculations. The oxidation with O2 of all surfaces at high temperature results in selective oxidation of Al and alumina formation with a 1-2 nm self-limited thickness. Ordered oxides are found on (110) and (100) faces while a disordered 3D oxide grows on (111). Subsurfaces of oxidised (110) and (111) are depleted in Al and adopt the D03 structure, while (100) subsurface composition is insensitive to oxidation. At (110) surface, a two-domain alumina grows with a (18.5 × 10.5) Å2 nearly rectangular rotated unit cell with a (2×1)ox matching. The oxide film at (100) surface presents two (2×1) domains in the form of nanometric orthogonal stripes ; a likely explanation is the formation of a distorted θ-Al2O3 structure.

Jury

  • Carrier Xavier, LRS, UPMC, Paris
  • Galtayries Anouk, ENSCP, Paris
  • Lazzari Rémi, INSP, UPMC, Paris
  • Ledieu Julian, IJL, Nancy
  • Leroy Frédéric, CINAM, Marseille