SIMAC – Surface sous contraintes

• • Effet de la plasticité sur le flambage de films minces

Cette activité de recherche concerne l’étude par des approches multi-échelles du flambage de films minces sur substrats. Il s’agit dans ce travail d’étudier l’influence des mécanismes de plasticité sur la délamination et le flambage de films minces cristallins déposés sur des substrats. Afin de mener à bien cette activité, des simulations à l’échelle atomique par dynamique moléculaire ainsi que des simulations à l’échelle mésoscopique par éléments finis ont été menées. Ces simulations numériques sont complétées, lorsque cela est possible, par un traitement analytique du flambage dans le cadre de la théorie élastique des plaques minces. Ce travail a été effectué en collaboration G. Parry (SIMAP, Grenoble).

Récemment, des observations optiques à l’air libre de films ductiles d’or déposés sur des substrats de silicium ont permis de mettre en évidence différentes structures de flambage. Par ordre de taille croissante, des cloques circulaires, puis des cloques en forme de croissant et enfin des cloques en forme de donut ont pu être caractérisées expérimentalement.  Dans ce cadre, nous avons entrepris d’étudier à l’aide de simulations par éléments finis, les effets couplés d’une surpression et de la plasticité des films sur la morphologie des structures flambées. En faisant l’hypothèse, en accord avec les observations, qu’une pliure plastique se développe sur le périmètre des cloques circulaires et en appliquant une surpression de l’ordre de la pression atmosphérique sur la surface du film, les différentes structures observées expérimentalement aux différentes tailles ont pu être ainsi générées. Ces simulations nous ont donc permis de conclure que le couplage pliure plastique/pression pouvait expliquer les morphologies variées observées aux différentes tailles de zones délaminées sur la surface des films d’or.  Toujours par éléments finis, une étude dynamique de la propagation de rides droites en présence d’une marche d’interface entre un film et son substrat a ensuite été menée à l’aide d’un code développé par G. Parry. Ce travail a permis de mettre en évidence un effet de déviation de la ride par la marche.

Nous nous sommes aussi intéressés aux mécanismes élémentaires de plasticité activés dans des films d’Aluminium soumis à une déformation croissante. Dans le cadre de simulations par dynamique moléculaire à 0 K, il a été montré que l’énergie d’interface pilotait la plasticité du film lors du flambage. Différents phénomènes ont pu être identifiés en fonction de cette énergie d’adhésion: émission de dislocations d’interface et délamination, formation de fissures dans le film à partir des fissures d’interface ou bien formation de macles. Dans un deuxième temps, nous avons étudié par dynamique moléculaire à température finie, les mécanismes de plasticité activés lors du flambage d’un film d’Al lorsqu’un joint de grain S(51) (551) est placé dans ce film. Il a été montré que la plasticité initiée au niveau de ce joint modifiait fortement le profil de la ride. Deux mécanismes ont été identifiés, la formation de fautes extrinsèques dans la zone supérieure du film en tension et de fautes intrinsèques dans la partie inférieure en compression.  Suite à l’activation de ces mécanismes microscopiques mettant en jeu des dislocations parfaites et des partielles de Schockley, deux paramètres mesoscopiques ont pu être identifiés, une déformation plastique et un angle de pliure, qui une fois intégrés dans une description du flambage dans le cadre de la théorie des plaques minces, nous ont permis de reproduire les profils des films après flambage obtenus dans les simulations.

• • Plasticité des nanostructures

Cette activité concerne l'étude théorique de la stabilité mécanique de nanostructures de différentes géométries vis-à-vis de l’introduction de dislocations, lorsque des contraintes sont présentes dans ces structures composites. Plusieurs problèmes ont ainsi été abordés tels que l’introduction d’un dipôle de dislocations coin dans des couches planes semi-épitaxiées enterrées dans une matrice ou bien la formation de boucles de dislocations prismatiques dans des structures cœur/coque cylindriques ou bien sphériques. L'objectif final de ces études est de proposer des diagrammes de stabilité vis-à-vis de la formation de ces défauts en fonction des paramètres tels que les contraintes et les caractéristiques géométriques des couches.  Dans le même esprit, la fracturation de matériaux cylindriques soumis à une contrainte axiale a été étudiée et la répartition des fissures a été caractérisée.

Plus récemment, l'attention s'est portée sur les effets de disclinaisons placées dans des joints de grain de forte désorientation et sources de déformations importantes, sur la formation de dislocations à partir des surfaces libres. Les conditions de ces nucléations ont été précisées en fonction de la désorientation liées à ces disclinaisons et de leur position par rapport aux surface libres des matériaux considérés.

• • Flambage de matériaux hyperélastiques

Cette thématique porte sur des problèmes de plissement de couches enterrées et de multicouches composées de matériaux néo-hookéens dans le cadre d’une collaboration avec M. Holland et M. Darayi, de l'Université de Notre Dame, USA. Ces matériaux composites, pouvant subir de grandes déformations avec des hétérogénéités importantes de modules élastiques font l’objet de nombreuses études en biologie (morphogène et croissance de tissus, développement de tumeurs, etc.) ou en électronique (dispositifs déformables sur la peau).

Dans ce cadre, nous avons pu caractériser dans le régime linéaire les seuils d’instabilité de plissement sous déformation extérieure d’une couche enterrée dans une matrice, puis de deux couches en interaction élastique dans une matrice. Les effets des modules élastiques des différents matériaux, des épaisseurs de couche et de la distance entre couches ont pu être ainsi caractérisés sur les modes de plissement (symétrique, antisymétrique), sur  les longueurs d’onde et les déformations critiques correspondantes. Il apparaît au travers de ces études que pour les couches plus dures que leur matrice, le mode de plissement symétrique est sélectionné.