SIMAC – Propriétés mécaniques de films minces nanostructurés

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: Thibault Chommaux (2019-2022), Yen Fred Woguem (2020-2023) 

 

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.

 

      • Effet de la microstructure sur le comportement mécanique de films minces métalliques

Grâce à la machine de déformation disponible sur la ligne de lumière DiffAbs du synchrotron SOLEIL, des échantillons de films minces métalliques possédant différentes épaisseurs, tailles grains, états de contraintes résiduelles, texture cristallographique et architecture sont étudiés afin de mettre en évidence un effet de taille sur leur comportement mécanique.

 

Représentation schématique du dispositif expérimental disponible sur la ligne de lumière DiffAbs du synchrotron SOLEIL 1

Evolution des stress  (σxx  et σyy) dans les films minces pendant les tests biaxiaux 1
      • Étude de la relaxation de films mince

La DRX fournit les contraintes résiduelles et appliquées à un matériau, ainsi que les hétérogénéités de déformation élastique (par la largeur des pics de Bragg). Cependant, la DRX seule peut difficilement isoler un mécanisme de déformation. Ceci est particulièrement problématique lorsque plusieurs mécanismes sont en compétition, comme dans le cas des nanocristaux. Une activité originale développée au laboratoire est l’étude par DRX de la relaxation de films minces. En effet, de tels essais peuvent permettre de mesurer des volumes d’activation qui sont caractéristiques du mécanisme principal de plasticité, et donc de la microstructure du matériau à un point donné de l’essai. Après avoir démontré la faisabilité de tels essais mécaniques, nous avons déterminé simultanément l’évolution des volumes d’activation pour deux composantes de texture de l’échantillon d’un film d’or d’une centaine de nm d’épaisseur et montré l’importance de la population initiale de défauts dans le comportement mécanique des films minces nanocristallins (élaborés par pulvérisation). Si la recherche académique se concentre sur des essais uni-axiaux, les conditions d’usage des matériaux en question amènent davantage à des sollicitations bi-axiales. Nous avons effectué des cycles de traction afin de mettre en évidence l’importance du recuit mécanique observé lors des différentes sollicitations.                

 

      • Plasticité de films minces monocristallins

Les mécanismes de plasticité sont anisotropes et évoluent en deçà de quelques dizaines de nanomètres. Afin de mieux comprendre ces mécanismes mis en jeu et leur importance relative, nous avons tenté de quantifier la proportion de maclage in situ au cours d'une déformation. Ceci a été fait dans des films monocristallins d'or de 50 nm qui sont sensibles non seulement à l'épaisseur. Nous avons pu mettre en évidence l'importance du maclage dans la déformation dans certaines directions cristallographiques [110] versus [100].

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.