Surfaces – Interfaces et Matériaux sous Contrainte – SIMAC

Chercheurs et enseignants-chercheurs

Jerôme COLIN

Responsable d'équipe

Tél: +33 5 49 49 66 52

Post-doctorants :  Simon Smalley

 

Doctorants :

 

Thibault Chommaux

Propriétés mécaniques de couches minces fonctionnelles déposées sur des substrats compliants  

Sous la direction de Pierre-Olivier Renault, Philippe Goudeau et de Dominique Thiaudière (Synchrotron Soleil)

Thèse en cofinancement 50% région nouvelle aquitaine, 50% synchrotron SOLEIL (https://www.synchrotron-soleil.fr/)

 

Emmanuel Fodeke :

Comportement mécanique de feuillets de MoS2 sous contraintes mécaniques et propriétés électroniques associées

Sous la direction de Christophe Coupeau et de Loranne Vernisse

 

Loïc Van Hoorde

Interactions macles interfaces bi-métalliques : simulations à l’échelle atomique 

Sous la direction de Sandrine Brochard (Equipe PDP) et de Julien Durinck.

Charlélie Chil

Comportement et stabilité mécanique du graphène sous contrainte : Simulations atomistiques en dynamique moléculaire

Sous la direction de Christophe Coupeau et Julien Durinck

 

Valentin Gazagne

Etude du comportement en nitruration d’alliages à haute entropie FeCrNiCoAlx synthétisés par métallurgie des poudres

Sous la direction de Jean Baptiste Dubois et Véronique Gauthier-Brunet (Equipe PPNa)

 

Yen Fred Woguem

Propriétés mécaniques de films minces d’or nanomaclés

Sous la direction de Sandrine Brochard (Equipe PDP) et Pierre Godard

 

Participation à des projets contractuels :

 

International :

2017 - 2020 : ANR PRCI  CharADiff  Caractérisation des défauts par techniques de diffraction avancées pour l'évaluation de la déformation des micro-cristaux

2017 - 2020 : DFF  Mix Ti Mixed interstitial phases; a novel approach to tailoring the surface properties of titanium

Projet financé par le Danish Council for Independent Research - Collaboration avec Thomas L. Christiansen - DTU (Technical University of Denmark) - Mechanical Engineering (Department of Mechanical Engineering)

2018 - 2021 : CPER NanoTrans  Nanophysique pour le Transport

 

National :

2017 - 2021 : ANR PRC RODIN Rôle des disconnexions dans la plasticité liée aux joints de grains

2019 - 2023 : ANR PRC CHACAL Nano-ingénierie mécanique de matériaux 2D

2020 - 2024 : ANR JCJC PtyMet  Ptychographie 3D de Bragg : Développements pour les films minces métalliques nano-maclés

Activités de recherche

Nos activités de recherche sont centrées sur l’étude des propriétés mécaniques à la surface de divers matériaux, allant de films monocouches atomiques ou moléculaires à des revêtements de quelques microns d'épaisseur en passant par des films minces de quelques nm à quelques dizaines de nm. Il s'agit principalement d'améliorer les connaissances sur les relations entre la structure, l'architecture et/ou la microstructure et le comportement mécanique. En effet, le contrôle des propriétés mécaniques des surfaces, des films minces sur substrats, et plus généralement des matériaux ayant subi un traitement de surface à fort potentiel technologique s’avère être un enjeu majeur de la science des matériaux. L’étude du comportement de ces matériaux, comme par exemple la plasticité, le vieillissement, la délamination interfaciale, le flambage ou même l'évolution des microstructures, nécessite d’appréhender les phénomènes physiques à l’origine de ces évolutions à la fois en volume (génération et propagation de défauts cristallins, diffusion de défauts ponctuels) et en surface (formation de marches ou de structures complexes organisées, diffusion d’adatomes). L'analyse des matériaux en surface ou proche de la surface est essentielle, non seulement pour étudier les effets de basse dimensionnalité sur les propriétés mécaniques usuelles, mais aussi pour mieux comprendre les mécanismes physiques se produisant en volume, la surface jouant ainsi le rôle de révélateur au travers des nanostructures qui y sont engendrées. Soulignons que les effets de basse dimensionnalité sont de plus en plus prégnants dans les applications; le rapport surface/volume des matériaux ne cesse d’augmenter suite à la miniaturisation des dispositifs, mais aussi à fin d’obtenir de nouvelles propriétés fonctionnelles.

Ces travaux s’articulent autour de trois actions principales :

      • L'action Propriétés mécaniques de films minces nanostructurés vise à obtenir une meilleure compréhension du comportement mécanique de films minces polycristallins voire monocristallins de quelques dizaines de nm d’épaisseur déposés par pulvérisation sur des polymères, et de mettre en exergue les effets de taille, de microstructure et d'architecture.
      • L'action Instabilités morphologiques – organisation – fonctionnalisation est centrée sur des études d’évolutions de surfaces sous des champs de contraintes mécaniques. Il s’agit de comprendre les phénomènes liés au flambage, à la délamination, à la décohésion de films minces ou encore liés à la reconstruction de surfaces.
      • L'action Modifications de surface par traitements thermochimiques s’intéresse aux modifications de surface par traitements thermochimiques assistés par plasma basse pression et/ou par implantation ionique, dans un objectif général (mais pas exclusif) d’amélioration des propriétés mécaniques par création en surface de couches de composés (nitrures, oxydes…)  ou de solutions solides d’insertion (d’azote, d’oxygène, de carbone…).

Démarche scientifique et points forts. Développement d’appareillages expérimentaux originaux, validation de modèles numériques ou analytiques par confrontation expérience/théorie, modélisation des phénomènes physiques observés à différentes échelles, ouverture vers les grands instruments nationaux et internationaux SOLEIL, ESRF et ALS.

 

Permanents : L. Pichon (Pr), J.B. Dubois (MCF), M. Drouet (IR)

Coll. DPMM-axe ENDO: P. Villechaise, J. Cormier

Contexte et objectifs :

Cet axe s’intéresse aux modifications de surface par traitements thermochimiques assistés par plasma basse pression et/ou par implantation ionique, dans un objectif général (mais pas exclusif) d’amélioration des propriétés mécaniques par création en surface de couches de composés (nitrures, oxydes…)  ou de solutions solides d’insertion (d’azote, d’oxygène, de carbone…). Ces études s’appuient sur deux réacteurs originaux : URANOS, réacteur de traitement assisté par plasma basse pression ; TAPIIR, réacteur d’implantation ionique en immersion plasma (PBII). Il s’agit de comprendre, en lien avec les conditions de traitement, les mécanismes de modifications chimiques et microstructurales et de les relier aux propriétés d’intérêt induites. Les techniques d’analyse relèvent de l’étude chimique des surfaces et de la caractérisation microstructurale à différentes échelles. Les propriétés d’intérêt sont ensuite testées en interne dans l’axe, au sein de P’ ou dans le cadre de collaborations externes nationales ou internationales.

 

Suite aux premiers succès des nitrurations à température modérée (<450°C) obtenues sur divers alliages de phase g austénitique (ASS316L, CoCrMo), le traitement de différents superalliages à base nickel a été entrepris.

 

Les études sur leur nitruration à température modérée s'organisent selon 3 voies :

        • L’étude à petite échelle des phases g et g nitrurées par différentes techniques de MET
        • L’explication des différences de comportement en nitruration des γ
        • Le contrôle de la concentration maximale en azote

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Publications récentes

L. Pichon, J.B. Dubois, S. Chollet, F. Larek, J. Cormier and C. Templier, Low temperature nitriding behaviour of Ni3Al-like γ′ precipitates in nickel-based superalloys, Journal of Alloys and Compounds, 771, 176-186 (2019)

 

M. Ueda, C. Silva, G.B de Souza, L. Pichon, High Temperature Plasma Immersion Ion Implantation Using Hollow Cathode Discharges in Small Diameter Metal TubesJ. Vac Sci and Technol. B, 37(4), 042902, (2019).

Offre d'Emploi

Thèse - Surface hardening and fatigue behaviour of titanium alloys induced by multi-interstitial followed by mechanical surface treatments: effect of property gradient

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

Contexte et objectifs

L’un des objectifs majeurs de cet axe est d’obtenir une meilleure compréhension du comportement mécanique de films minces polycristallins voire monocristallins de quelques dizaines de nm d’épaisseur déposés par pulvérisation sur des polymères, et de mettre en exergue les effets de taille, de microstructure et d'architecture. Le composite film mince - polymère est sollicité mécaniquement à l’aide d’une machine de déformation biaxiale très originale permettant de suivre in situ par diffraction des rayons X les évolutions microstructurales dans le film, la déformation au niveau cristallin et la déformation macroscopique par corrélation d’images numériques. Le dispositif expérimental permet de mesurer des évolutions relatives de déformation très faible (de l’ordre de 10-5) et permet de reproduire des champs de déformation complexes rencontrés par ces matériaux dans les divers domaines d’application. L’adhésion, les modes de fissuration ou les mécanismes physiques à l’origine de la plasticité peuvent être étudiés.

 

Cet action s'articule autour de trois activités de recherches :

      • Effet de la microstructure sur le comportement mécanique de films minces métalliques
      • Etude de la relaxation de films mince
      • Plasticité de films minces monocristallins

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.

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Publications récentes

P. Godard, D. Faurie and P. O. Renault, Strain ratio effects in mechanical properties of supported thin films, J. Appl. Phys. 127, 105103 (2020)

 

D. Faurie, F. Zighem, P. Godard, G. Parry, T. Sadat, D. Thiaudière, P.-O. Renault, In situ x-ray diffraction analysis of 2D crack patterning in thin films, Acta Materialia 165, 177-182 (2019)

 

Offre d'Emploi

Thèse - Propriétés physiques de films minces fonctionnels sous contrainte

Permanents : J. Colin (PR), C. Coupeau (PR), J. Grilhé (PR Emerit), J. Durinck (MdC), A. Cimetière (PR Emerit), L. Vernisse (MdC)

Contexte et objectifs :

Cet axe est centré sur des études d’évolutions de surfaces sous des champs de contraintes mécaniques. Il s’agit de comprendre les phénomènes liés au flambage, à la délamination, à la décohésion de films minces ou encore liés à la reconstruction de surfaces. Cet axe s'appuie sur un outil expérimental unique à l'échelle internationale (Nanoplast). Ce dispositif sous environnement ultravide permet de suivre in situ par microscopie champ proche AFM/STM l’évolution de la surface de matériaux sous contraintes et températures variables. Les 2 thèmes sur lesquels les études actuelles sont focalisées, d'une part, la compréhension des mécanismes élémentaires de plasticité de matériaux cristallins, à partir des traces de glissement générées à l'échelle atomique en surface, et d'autre part, le pilotage des nanostructures et reconstructions de surfaces par nano-ingénierie mécanique sous contrainte. Les démarches expérimentales sont associées, de façon intime, à des simulations numériques ou des modélisations. Ainsi, des études théoriques portant sur la cinétique de croissance de nano-objets déposés sur substrats, sur les évolutions de délamination sont entreprises en corrélation avec les observations expérimentales de l’équipe ou en collaborations externes (nationales et internationales).

 

Cinq voies d'études sont explorées :

      • Effet de la plasticité sur le flambage de films minces
      • Plasticité des nanostructures
      • Evolution morphologique d’alliages sous contraintes
      • Flambage de matériaux hyperélastiques
      • Nano-ingénierie de surface

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Publications récentes

B. Bertin, J. Durinck, and J. Colin, Dislocation emission and crack propagation during thin film buckling on substrate, International Journal of Solids and Structures 185, 202-211 (2020).

 

B. Douat, C. Coupeau, J. Bonneville, M. Drouet, L. Vernisse and L. Kubin, Atomic-scale insight into non-crystallographic slip traces in body-centred cubic crystals, Scripta Materialia 162, 292-295 (2019)

Alumni

Julien Drieu La Rochelle - Etude du maclage-démaclage de film mince d'or monocristallin sous rayonnement synchrotron - Sous la direction de Pierre-Olivier Renault et de Pierre Godard - Soutenue en 02/2020

 

Dimitri Chauraud - Influence des contraintes sur la reconstruction de l'Au (111) - Sous la direction de Christophe Coupeau et de Julien Durinck - Soutenue en 11/2019

 

Thierry Broult - Études des propriétés mécaniques des matériaux CdZnTe et HgCdTe et impact des déformations plastiques sur les performances électriques des photodiodes infrarouges - sous la direction de Eric Le Bourhis et de Gilles Patriarche - Soutenue en 10/2019

 

Benjamin Douat - Étude de surfaces sous contrainte à l'échelle atomique : application au cas du niobium - Sous la direction de Joël Bonneville et de Christophe Coupeau - Soutenue en 06/2018

 

Wejdene Mastouri  - Caractérisation croisée de la double couche électrique se développant à l'interface solide/liquide (304L/NaCl) pour différents états de surface - Sous la direction de Luc Pichon , Sergueï Martemianov et de Anthony Thomas - Soutenue en 12/2017

 

Romain Boijoux - Influence de l'élasticité du substrat sur la genèse, propagation et coalescence des structures de cloquage de revêtements et films minces - Sous la direction de Christophe Coupeau et de Guillaume Parry - Soutenue en 11/2017

 

Sami Hamade - Influence de pliures plastiques sur la morphologie de cloques et de marches d'interface sur leur propagation - Sous la direction de Jérôme Colin et de Julien Durinck - Soutenue en 12/2016

 

Jean Rony Medy - Évaluation des effets de taille et d'architecture sur les propriétés mécaniques et électriques de fils composites métalliques cuivre/niobium fabriqués par déformation plastique sévère - Sous la direction de Ludovic Thilly et de Pierre-Olivier Renault - Soutenue en 12/2016

 

Mohamed Achraf Ben Dhia - Détermination des contraintes internes par méthode dynamique résonante : application aux massifs revêtus - Sous la direction de Christophe Coupeau, Pascal Gadaud et de Xavier Milhet - Soutenue en 12/2016

 

Wei He - Mechanical and microstructural properties of thin metal films on compliant substrates - sous la direction de Philippe Goudeau , Eric Le Bourhis et de Pierre-Olivier Renault - Soutenue en 09/2016

Raphaëlle Guillou  - Étude in-situ des propriétés mécaniques de films minces d'or nanostructurés déposés sur substrats flexibles lors d'essais de traction biaxiale contrôlée sous rayonnement synchrotron - sous la direction de Pierre-Olivier Renault , Eric Le Bourhis et de Philippe Goudeau - Soutenue en 2015

 

Jonathan Michel - Caractérisation par UHV AFM/STM des nanostructures de déformation de l'intermétallique Ni3Al - Sous la direction de Christophe Coupeau et de Joël Bonneville - Soutenue en 2014

 

Antoine RuffiniInfluence de la plasticité sur le délaminage et le flambage de films minces déposés sur substrats - Sous la direction de Jérôme Colin et de Julien Durinck - Soutenue en 2013

 

Arnaud Le Priol - Métallurgie d'alliages d'interconnexion pour composants optoélectroniques - Sous la direction de Eric Le Bourhis et de Pierre-Olivier Renault - Soutenue en 2012

 

Soundès Djaziri - Élasticité et endommagement sous chargement bi-axial de nano-composites W/Cuen couches minces sur polyimide : apport des techniques synchrotrons - Sous la direction de Philippe Goudeau , Eric Le Bourhis et de Pierre-Olivier Renault - Soutenue en 2012

 

Matthieu Tatat - Influence de films fonctionnels sur les propriétés élastiques des substrats associés : application au système Ni/NiO - Sous la direction de Christophe Coupeau et de Xavier Milhet - Soutenue en 2012

 

Axel Richard - Étude par diffraction des rayons X des déformations induites par irradiation/implantation d'ions dans le dioxyde d'uranium - sous la direction de Philippe Goudeau et de Hervé Palancher - Soutenue en 2012

 

Mathieu Guerain - Contribution à l'étude des mécanismes de relaxation de contraintes dans les films de chromine formés sur Ni-30Cr et Fe-47Cr : approche multi-échelle par spectroscopie Raman et microdiffraction Synchrotron - Sous la direction de Philippe Goudeau et de Jean-Luc Grosseau-Poussard - Soutenue en 2012

 

Eloi Dion - Effet de la pression sur le phénomène de cloquage des films minces -  Sous la direction de Christophe Coupeau et de Jérôme Colin - Soutenue en 2011

 

Jean-Baptiste Dubois - Conducteurs nanocomposites métalliques élaborés par déformation plastique sévère : formation et stabilité thermo-mécanique des nanostructures, propriétés induites - Sous la direction de Ludovic Thilly , Pierre-Olivier Renault et de Florence Lecouturier - Soutenue en 2010

 

Thi Huyen Tram Pham - Structure et propriétés mécaniques de films minces AlCrN -  Sous la direction de Eric Le Bourhis et de Philippe Goudeau - Soutenue en 2010