SIMAC – Elasto-visco-plasticity of nanostructured materials

Permanents: Eric Le Bourhis (PR UP), Pierre Godard (MdC UP), Philippe Goudeau (DR CNRS), Pierre-Olivier Renault (PR UP), Pascale Valat-Villain (MdC UP)

Doctorants: Raphaelle Guillou (2012-2015), Wei He (2013-2016) Post-doc: Konstantino Pantzas (2012-2014)

L’utilisation de revêtements et films minces sur substrats souples impose aux matériaux de supporter des déformations très importantes, dans des domaines applicatifs très larges allant de la micro-électronique étirable à la biologie-santé (via la notion de capteurs), en passant par l’emballage alimentaire. Les matériaux utilisés dans ce cadre présentent un très fort contraste mécanique qui peut engendrer des comportements subtils qu’il convient de mieux appréhender. Sont ainsi associés des matériaux mous (élastomères, polyimides ou polyamide) et durs (métaux, oxydes), des matériaux fragiles et ductiles… Les modules d’élasticité s’étalent sur plusieurs ordres de grandeurs (quelques centièmes de GPa pour les élastomères à quelques centaines de GPa pour les métaux ou oxydes) ; de même les coefficients de dilatation présentent des différences très importantes. En outre, la miniaturisation de ces dispositifs nécessite l’utilisation de polycristaux dont la taille de grains est très petite (de l’ordre de quelques nm, à quelques dizaines de nm). Ces matériaux dit nanocristallins présentent alors des comportements mécanique, électrique ou optique parfois différents de celui du même matériau polycristallin à l’état massif.

Dans ce cadre scientifique, ce groupe de recherche travaille sur la compréhension des différents modes de déformation de films minces nanostructurés sur substrats polymères, dans l’optique d’en limiter l’endommagement en cours de fonctionnement. Il est impliqué dans le développement et la mise au point d’une machine originale de déformation biaxiale. Ce dispositif embarqué de mise sous contrainte est installé sur la ligne de lumière DiffAbs au synchrotron SOLEIL et permet notamment de contrôler le champ de déformation appliqué sur un composite film mince-substrat étirable. Il est donc possible d’appliquer sur le composite film/substrat des chemins de déformation ou chargements identiques à ceux subis lors de la réalisation ou l’utilisation de ces matériaux en conditions réelles. Cet appareillage permet de réaliser des mesures in situ de champ de déformation de façon relativement précises (incertitude en déformation de l’ordre de 5×10-5), et ce à l’aide de 2 techniques complémentaires : une mesure du champ de déformation macroscopique par corrélation d’image numérique (CIN) et mesure microscopique du champ de déformation dans les parties cristallines du matériau par diffraction des rayons X (DRX). La corrélation des mesures macroscopique CIN/microscopique DRX (cf fig. 1) permet d’obtenir des informations pertinentes sur le comportement mécanique de ces composites : entre autres, la transmission des déformations à l’interface ou aux interfaces dans le cas de films empilés, les incompatibilités de déformation, les transferts de charge, la limite d’élasticité, la résistance maximum à la traction, l’apparition de fissures, les phénomènes de relaxation, …

Enfin, d’un point de vue fondamental, la corrélation CIN-DRX permet d’analyser finement des problèmes de changement d’échelle (micro-macro) et ainsi de mettre en évidence des problèmes spécifiques aux films minces, à intégrer dans les modèles mécaniques d’interaction granulaire associés aux matériaux polycristallins. Enfin, l’étude des surfaces de charge (fig. 2) permet une étude fine des effets de taille et de microstructure sur le comportement fragile / ductile de films nano-structurés.

Ces activités sur synchrotron se sont développées dans le cadre d’une ANR Pnano Cmonano qui associait Soleil et le LSPM (ex-LPMTM) de Villetaneuse pour la modélisation polycristalline. Elles rentrent dans le cadre du GDRi Mecano.


Publications recentes:

“In situ monitoring of X-ray strain pole figures of a biaxially deformed ultra-thin film on a flexible substrate”, Geandier, G., Faurie, D., Renault, P. O., Thiaudière, D., & Le Bourhis, E., Journal of Applied Crystallography, 47(1) (2014)181-187.

“Yield surface of polycrystalline thin films as revealed by non equi-biaxial loadings at small deformation”, Djaziri S., Faurie D., Renault P.-O., Le Bourhis E., Goudeau Ph., Geandier G., Thiaudière D., Acta Materialia 61 (2013) 5067–5077.

“Controlled nanostructuration of polycrystalline tungsten thin films”, Girault B., Eyidi D., Goudeau P., Sauvage T., Guerin P., Le Bourhis E., Renault P.-O., Journal of Applied Physics 113, 174310 (2013)

“Phase transition signature on elastic constants in Al1-xCrxNy ternary alloys thin films”, T. Pham, D. Faurie, P. Djemia, L. Belliard, E. Le Bourhis, P. Goudeau, F. Paumier, Applied Physics Letters 103, 041601 (2013)

« Synchrotron X-ray diffraction experiments with a prototype hybrid-pixel detector”, LE BOURLOT C., LANDOIS P. , DJAZIRI S., RENAULT P.-O., LE BOURHIS E., GOUDEAU P. , PINAULT M., MAYNE-L’HERMITE M., BACROIX B., FAURIE D. , CASTELNAU O., LAUNOIS P. , ROUZIERE S., Journal of Applied Crystallography 45 (2012) 38-47.

“Copper coverage effect on tungsten crystallites texture development in W/Cu nano-composite thin GIRAULT B., EYIDI D., CHAUVEAU T., BABONNEAU D., RENAULT P.-O., LE BOURHIS E., GOUDEAU P. films Journal of applied physics 109, 014305 (2011) 12 pages

X-ray strain analysis of {111} fiber-textured thin films regardless of grain-interaction models” FAURIE D., RENAULT P.-O., LE BOURHIS E., CHAUVEAU T., CASTELNAU O., GOUDEAU P. Journal of Applied Crystallography 44 (2011) 409-413.

“Combined synchrotron X-ray and image-correlation analyses of biaxially deformed W/Cu nanocomposite thin films on Kapton” DJAZIRI S., RENAULT P.-O., HILD F., LE BOURHIS E., GOUDEAU P., THIAUDIERE D., FAURIE D., Journal of Applied Crystallography 44 (2011) 1071-1079.

“X-ray elastic response of metallic thin film supported by polyimide substrates Invited contribution to “Strain Measurement using Synchrotron X-rays” , LE BOURHIS E., FAURIE D., RENAULT P.O., GEANDIER G., THIAUDIERE D., CASTELNAU O., GOUDEAU P. a special issue of Journal of Strain Analysis For Engineering Design 46 (2011) 639-649.

 

Figure 1: Evolution des déformations mesurées par DRX en fonction des déformations CIN pour un rapport de chargement nominal de 0,5. Le trait noir est une droite de pente 1. Figure 2 : Comparaison des résultats expérimentaux aux modèles de surface de charge dans le quart de plan (sigma11, sigma22). La courbe en trait plein correspond au critère de Von Mises et celle en pointillé au critère de Rankine des matériaux fragiles.

Voir aussi dans «Surfaces – Interfaces and Materials under Stress – SIMAC»

SIMAC – Improvements in properties by plasma treatments SIMAC – Surface under constraints