SIMAC – Surface sous contraintes

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

Doctorants :  Romain Gautier (2028-2021), Emmanuel Fodeke (2019 - 2022), Charlélie Chil (2020-2023)

Post-doc: Simon Smalley (2020 ->)

 

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 démarches expérimentales sont associées, de façon intime, à des simulations numériques ou des modélisations.

 

Les études actuelles sont focalisées selon deux thèmes :

 

    • la compréhension des mécanismes élémentaires de plasticité de matériaux cristallins, à partir des traces de glissement générées à l'échelle atomique en surface
    • le pilotage des nanostructures et reconstructions de surfaces par nano-ingénierie mécanique sous contrainte.

 

    • Nano-ingénierie de surface

La nanostructuration de surface est la possibilité d’apporter, à des matériaux, de nouvelles propriétés par l’intermédiaire de leur surface. L'objectif est de pouvoir piloter les reconstructions et nanostructures de surface par nano-ingénierie mécanique sous contrainte; celles-ci pourront servir de gabarit en vue de futures fonctionnalisations de surface.

 

Nous nous sommes orientés vers trois types de surfaces :

 

    • les surfaces reconstruites, comme l'Au(111) : nous nous attachons à mieux appréhender d’une part l’influence de la contrainte appliquée sur la reconstruction en chevrons et d’autre part l’influence des traces de glissement, apparaissant au-delà de la limite d’élasticité, sur la réorganisation de ces chevrons. Autrement dit, nous cherchons à comprendre l’influence du champ de contrainte généré par les marches atomiques en surface et les interactions possibles entre traces de glissement et chevrons.
    • les feuillets 2D, comme des dicalchogénures de métaux de transition (ex: MoS2) sur des substrats métalliques monocristallin : nous cherchons à déterminer les propriétés mécaniques de ces feuillets et à moduler leurs propriétés fonctionnelles sous une déformation/contrainte locale
    • les auto-assemblages supra-moléculaires sur surfaces métalliques : l'objectif est la création de nanostructures organiques patternables grâce aux conditions d'évaporation, à la stabilisation ou destabilisation via l'intercalation de clusters métalliques, et/ou la déformation du substrat.

Image STM de la reconstruction en chevrons de la surface d'Au(111) avant déformation uniaxiale

Image STM de l'évolution de la reconstruction en chevrons après apparition d'une trace de glissement dûe à une déformation uniaxiale

 

    • Évolution morphologique d’alliages sous contraintes
Simulation par champ de phase: migration par diffusion et déformation d'un précipité contraint au voisinage d'une surface libre1 

Cette thématique de métallurgie traditionnelle concerne l’étude de l’évolution morphologique d’alliages, lorsque ceux-ci sont soumis à des contraintes. Il s’agit de déterminer les paramètres critiques responsables du changement de forme de ces matériaux, lorsque des phénomènes de diffusion sont activés.

La première partie de cette thématique a porté sur l’étude linéaire de la croissance par diffusion de précipités cylindriques ou sphériques sous contrainte en contact avec leur phase liquide. Les seuils d’instabilité de forme ont pu ainsi être caractérisés pour des alliages binaires ou ternaires (en collaboration avec P. Voorhees Northwestern University, USA).

Dans un deuxième temps, l’effet d’une surface libre sur la morphologie d’un précipité contraint dans une matrice semi-infinie a été étudié. Un premier calcul d’énergie statique a montré que le précipité placé au voisinage de la surface libre pouvait s’allonger dans la direction perpendiculaire à cette surface. Afin de confirmer cette évolution, une collaboration avec F. Montalenti et R. Bergamaschini de l’Université Bicocca de Milan a été initiée et a permis de réaliser des simulations en champ de phase de l’évolution des précipités au voisinage d’une surface libre lorsque la diffusion aux interfaces précipité/matrice est activée. Ces simulations ont effectivement mis en évidence un déplacement ainsi qu’un allongement des précipités dans la direction perpendiculaire à la surface. Ces résultats numériques ont pu être confrontés à des observations effectuées par B. Rosen de l’Université de Tel-Aviv sur des particules de Ni migrant dans une matrice de LaO3.

    • 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.

 


 

Principales publications récentes :

 

Bertin, B.; Durinck, J.; Grihlé, J.; Colin, J.
Grain boundary-induced plasticity during thin film buckling

Surface and Coatings Technology , 408, pp. 126817, 2021.

 


Abbes, F.-Z.; Coupeau, C.; Durinck, J.; Talea, M.; Ni, Y.; Parry, G.

Effect of substrate elasticity on thin film buckle morphologies: A phase diagram

Surface and Coatings Technology , 408, pp. 126817, 2021.

 


Douat, B.; Bonneville, J.; Douet, M.; Vernisse, L.; Coupeau, C.

Low temperature atomic-scale observations of slip traces in niobium

SCRIPTA MATERIALIA, 183, pp. 81-85, 2020.

 


Coupeau, C.; Michel, J. ; Bonneville, J. ; Drouet, M.

An atomic-scale insight into Ni3Al slip traces

MATERIALIA, 9, pp. 100563, 2020.

 


Chauraud, D.; Durinck, J. ; Drouet, M. ; Vernisse, L. ; Bonneville, J. ; Coupeau, C.

How slip traces modify the Au(111) reconstruction

PHYSICAL REVIEW B, 99(19) pp. 195404, 2019.

 


Parry, Guillaume ; Hamade, Sami; Durinck, Julien; Coupeau, Christophe; Colin, Jérôme

Influence of interface steps on the buckle delamination of thin films

JOURNAL OF THE MECHANICS AND PHYSICS OF SOLIDS, 132, pp. 103698, 2019.

 


Coupeau, D.M. Kazantsev, M. Drouet, V.L. Alperovich,

Kinetics of anticrossing between slip traces and vicinal steps on crystal surfaces

ACTA MATERIALIA, 175, pp. 206-213, 2019.

 


Coupeau, R. Boijoux, Y. Ni, G. Parry,

Interacting straight-sided buckles: An enhanced attraction by substrate elasticity

Journal of the Mechanics and Physics of Solids 124, pp. 526, 2019.

 


B. Douat, C. Coupeau, J. Bonneville, M. Drouet, L. Vernisse, L. Kubin,

Atomic-scale insight into non-crystallographic slip traces in body-centred cubic crystals

SCRIPTA MATERIALIA, 162, pp. 292, 2019.

 


Colin, Jérôme

Equilibrium Shapes of Coherent Precipitates Near a surface

MECHANICS OF MATERIALS, 117, pp. 22-31, 2018

 


Abbes, Fatima; Durinck, Julien; Talea, Mohamed; Grilhé, Jean; Colin, Jérôme

Cuboidal-to-pyramidal shape transition of a strained island on a substrate

SURFACE SCIENCE, 664, pp. 168-171, 2017

 


Ruffini, Antoine; Finel, Alfonse; Colin, Jérôme; Durinck, Julien

Effect of interface plasticity on circular blisters

SCRIPTA MATERIALIA, 113, pp. 222-225 , 2016

 


Hamade, Sami; Durinck, Julien; Parry, Guillaume; Coupeau, Christophe; Cimetière, Alain; Grilhé Jean; Colin, Jérôme

Effect of plasticity and atmospheric pressure on the formation of donut- and croissant-like buckles

PHYSICAL REVIEW E, 91, pp. 012410-n.c, 2015