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 récentes:

 

2020

 

Strain ratio effects in mechanical properties of supported thin films
Godard, P.; Faurie, D.; Renault, P. O., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 127, 10, 105103, MAR 2020

 


2019

 

X-ray diffraction and stress relaxations to study thermal and stress-assisted annealings in nanocrystalline gold thin films
Godard, P.; Faurie, D.; Sadat, T.; Drouet, M.; Thiaudiere, D.; Renault, P. O., ACTA MATERIALIA 173, pp. 87-95, DOI: 1016/j.actamat.2019.04.024, Jul 2019

 

Elastic property determination of nanostructured W/Cu multilayer films on a flexible substrate
He, W.; Han, M.; Wang, S.; Goudeau, P.; Le Bourhis, E.; Renault, P. O., ACTA MECHANICA SINICA 35, 6, pp. 1210-1216, Dec 2019

 

Study of uniaxial deformation behavior of 50 nm-thick thin film of gold single crystal using in situ X-ray pole figure measurements
La Rochelle, J. Drieu; Godard, P.; Mocuta, C.; Thiaudiere, D.; Nicolai, J.; Beaufort, M. F.; Drouet, M.; Renault, P. O., SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY 377, UNSP, 124878, NOV 2019

 

Multiscale modeling of the elasto-plastic behavior of architectured and nanostructured Cu-Nb composite wires and comparison with neutron diffraction experiments
Gu, T.; Medy, J. -R.; Klosek, V.; Castelnau, O.; Forest, S.; Herve-Luanco, E.; Lecouturier-Dupouy, F.; Proudhon, H.; Renault, P. -O; Thilly, L.; Villechaise, P., INTERNATIONAL JOURNAL OF PLASTICITY 122, 1-30, Nov 2019

 

In situ x-ray diffraction analysis of 2D crack patterning in thin films
Faurie, D.; Zighem, F.; Godard, P.; Parry, G.; Sadat, T.; Thiaudiere, D.; Renault, P. -O., ACTA MATERIALIA 165, pp. 177-182, FEB 2019

 


2018

 

Strain transfer through film-substrate interface and surface curvature evolution during a tensile test
He, Wei; Han, Meidong; Goudeau, Philippe; Le Bourhis, Eric; Renault, Pierre-Olivier; Wang, Shibin; Li, Lin-an, APPLIED SURFACE SCIENCE 434, pp. 771-780, MAR 2018

 

Determination of Residual Stresses in an Oxidized Metallic Alloy under Thermal Loadings
Wang, Zhimao; Grosseau-Poussard, Jean-Luc; Panicaud, Benoit; Geandier, Guillaume; Renault, Pierre-Olivier; Goudeau, Philippe; Boudet, Nathalie; Blanc, Nils; Rakotovao, Felaniaina; Tao, Zhaojun, , METALS 8, 11, p.913, Nov 2018

 

Biaxial machine at Diffabs beamline for studying mechanical properties of thin films deposited onto polymer substrates
Faurie, Damien; Djaziri, Soundes; Renault, Pierre-Olivier; Le Bourhis, Eric; Goudeau, Philippe; Geandier, Guillaume; Thiaudiere, Dominique, MATERIAUX & TECHNIQUES 106, 2, 207 (erratum du vol 103, pg 610, 2015), OCT 2018

 

In situ Synchrotron X-Ray diffraction study of high-temperature stress relaxation in chromia scales containing the reactive element yttrium
Rakotovao, F.; Panicaud, B.; Grosseau-Poussard, J. L.; Tao, Z.; Geandier, G.; Renault, P. O.; Girault, P.; Goudeau, P.; Blanc, N.; Boudet, N.; Bonnet, G., , ACTA MATERIALIA 159, pp. 276-285, OCT 2018

 

Viscoplastic characteristics of thermally grown chromia films obtained from in situ 2D synchrotron X-ray diffraction
Rakotovao, F.; Panicaud, B.; Grosseau-Poussard, J. L.; Tao, Z.; Geandier, G.; Renault, P. O.; Bonnet, G.; Girault, P.; Goudeau, P.; Boudet, N.; Blanc, N.,  JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 744, pp. 591-599, MAY 5 2018

 

Plastic Deformation of Insb Micro-Pillars: A comparative Study Between Spatially Resolved Laue and Monochromatic X-Ray Micro-Diffraction Maps
Sadat, Tarik; Verezhak, Mariana; Godard, Pierre; Renault, Pierre Olivier; Van Petegem, Steven; Jacques, Vincent; Diaz, Ana; Grolimund, Daniel; Thilly, Ludovic, RESIDUAL STRESSES 2018, ECRS-10, Materials Research Proceedings 6, 21 -26, 2018

 


2017

 

Relaxation mechanisms in a gold thin film on a compliant substrate as revealed by X-ray diffraction
Godard, Pierre; Renault, Pierre-Olivier; Faurie, Damien; Thiaudiere, Dominique, APPLIED PHYSICS LETTERS , 110, 21, 211901, MAY 22 2017 2017

 

Continuous cyclic deformations of a Ni/W film studied by synchrotron X-ray diffraction
Renault, P. O.; Sadat, T.; Godard, P.; He, W.; Guerin, P. H.; Geandier, G.; Blanc, N.; Boudet, N.; Goudeau, P., SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY 332, 351-357, DEC 2017

 

Multiscale modeling of the anisotropic electrical conductivity of architectured and nanostructured Cu-Nb composite wires and experimental comparison
Gu, T.; Medy, J. -R.; Volpi, F.; Castelnau, O.; Forest, S.; Herve-Luanco, E.; Lecouturier, F.; Proudhon, H.; Renault, P. -O.; Thilly, L., ACTA MATERIALIA 141, pp.131-141, Dec 2017

 

Frequency analysis for investigation of the thermomechanical mechanisms in thermal oxides growing on metals
Panicaud, Benoit; Grosseau-Poussard, Jean-Luc; Tao, Zhaojun; Rakotovao, Felaniaina; Geandier, Guillaume; Renault, Pierre-Olivier; Goudeau, Philippe; Boudet, Nathalie; Blanc, Nils, ACTA MECHANICA, 228 10, pp. 3595-3617, Oct 2017

 

Modelling of the Mechanical Behaviour of a Chromia Forming Alloy Under Thermal Loading
Tao, Zhaojun; Rakotovao, Felaniaina; Grosseau-Poussard, Jean-Luc; Panicaud, Benoit; Geandier, Guillaume; Renault, Pierre-Olivier; Goudeau, Philippe; Boudet, Nathalie; Blanc, Nils, OXIDATION OF METALS 88, 1SI 15-27, Aug 2017

 

Relaxation mechanisms in a gold thin film on a compliant substrate as revealed by X-ray diffraction
Godard, Pierre; Renault, Pierre-Olivier; Faurie, Damien; Thiaudiere, Dominique, APPLIED PHYSICS LETTERS, 110, 21, 211901, MAY 2017

 

Cyclic testing of thin Ni films on a pre-tensile compliant substrate
Wei, He; Renault, Pierre-Olivier; Le Bourhis, Eric; Wang, Shibin; Goudeau, Philippe, MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING 695, 112-119, MAY 2017

 

Grain Size Dependence of Elastic Moduli in Nanocrystalline Tungsten
Valat-Villain, P.; Durinck, J.; Renault, P. O., JOURNAL OF NANOMATERIALS, 3620910, 2017

 

Revealing crystalline domains in a mollusc shell single-crystalline prism
F. Mastropietro, P. Godard, M. Burghammer, C. Chevallard, J. Daillant, J. Duboisset, M. Allain, P. Guenoun, J. Nouet and V. Chamard, NATURE MATERIALS, 16, 9, 946, 2017

 


2016

 

Study on Young's modulus of thin films on Kapton by microtensile testing combined with dual DIC system
He, Wei; Goudeau, Philippe; Le Bourhis, Eric; Renault, Pierre-Olivier; Dupre, Jean Christophe; Doumalin, Pascal; Wang, Shibin, SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY 308, 273-279, 2016

 

Nano-structuration effect on the mechanical behavior of gold thin films studied by 2D synchrotron x-ray diffraction
Guillou, R.; Le Bourhis, E.; Goudeau, P.; Renault, P. -O; Godard, P.; Faurie, D.; Geandier, G.; Mocuta, C.; Thiaudiere, D., SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY 308, 418-423, 2016

 

ITER first mirror mock-ups exposed in Magnum-PSI
Marot, L.; De Temmerman, G.; van den Berg, M. A.; Renault, P. -O.; Covarel, G.; Joanny, M.; Travere, J. M.; Steiner, R.; Mathys, D.; Meyer, E., NUCLEAR FUSION 56, 6, 66015, Jun 2016

 


2015

 

Strain in a silicon-on-insulator nanostructure revealed by 3D x-ray Bragg ptychography
V. Chamard, M. Allain, P. Godard, A. Talneau, G. Patriarche and M. Burghammer, SCIENTIFIC REPORTS, 5, 9827, 2015

 

Peculiar effective elastic anisotropy of nanometric multilayers studied by surface Brillouin scattering
Faurie, D.; Djemia, P.; Castelnau, O.; Brenner, R.; Belliard, L.; Le Bourhis, E.; Goudeau, Ph; Renault, P-O, SUPERLATTICES AND MICROSTRUCTURES 88, 551-560, 2015

 

Biaxial machine at Diffabs beamline for studying mechanical properties of thin films deposited onto polymer substrates
Faurie, Damien; Djaziri, Soundes; Renault, Pierre-Olivier; Le Bourhis, Eric; Goudeau, Philippe; Geandier, Guillaume; Thiaudiere, Dominique, MATERIAUX & TECHNIQUES 103, 610, 2015

 

Nondestructive three-dimensional imaging of crystal strain and rotations in an extended bonded semiconductor heterostructure
I. Pateras, M. Allain, P. Godard, L. Largeau, G. Patriarche, A. Talneau, K. Pantzas, M. Burghammer, A.A. Minkevich and V. Chamard, PHYSICAL REVIEW B, 92, 205305, 2015

Voir aussi dans «Surfaces – Interfaces et Matériaux sous Contrainte – SIMAC»

SIMAC – Modifications de surface par traitements thermochimiques SIMAC – Surface sous contraintes