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 :

Marion HURIER (2022 -> 2024) Comportement mécanique de surfaces de matériaux sous contrainte

Ibrahim GODA (01/2024 -> 10/2024)  Comportement mécanique de surfaces de matériaux sous contrainte par simulations numériques

Qinqin XU (2024 ->) Simulations à l’échelle atomique de l’interaction macles – interfaces dans des multicouches bi-métalliques Cu/Ag

 

Doctorants :

 

Hatem Benmahmoud

Propriétés magnétiques de nanostructures sur substrats extensibles : vers des systèmes magnétoélectriques déformables et durables

Sous la direction de Pierre-Olivier Renault, Damien Faurie (LSPM - Sorbonne Paris Nord) et Fatih Zighem (LSPM - Sorbonne Paris Nord)

Thèse cofinancée par le labex Interactifs (Poitiers) et le labex SEAM (Sorbonne Paris Nord)

 

Charlélie Chil

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

Sous la direction de Christophe Coupeau et Julien Durinck

 

 

Renaud Guenin

Durcissement et comportement en fatigue d’alliages de titane induits par traitement de surface de diffusion de multi-interstitiels et mécaniques: effet du gradient de propriétés

Sous la direction de Luc Pichon, Michel Drouet, et Antoine Guitton (LEM3 - Université de Lorraine)

Thèse cofinancée par le labex Interactifs (Poitiers) et le labex DAMAS (Metz)

 

Sohel Altaf Husain

Propriétés physiques de films minces fonctionnels sous contrainte

Sous la direction de Pierre Olivier Renault et Damien Faurie (LSPM - Sorbonne Paris Nord)

Thèse financée par le PRCI "NanoFilms"

 

Vladimir Khoroshilov

Evolution of vicinal surfaces under strain: experimental approach and numerical approach by cinetic Monte Carlo expérimentale et numérique par Monte Carlo cinétique

Sous la direction de Christophe Coupeau et Vitaly L. Alperovich (Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Novosibirsk, Russie)

Financée par le programme Vernadski du Ministère des Affaires Etrangères

 

Alisha GEORGE

Simulations à l’échelle atomique de déformations de films minces d’or nanomaclés

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

 

Alejandro TOLEDANO POVEDANO

Etude des propriétés magnéto-mécaniques de films minces sur substrats extensibles: Combinaison MOKE-DRX

Sous la direction de Pierre Olivier Renault et Eloi Haltz (LSPM, Villetaneuse)

 

Participation à des projets contractuels :

 

International :

2022 - 2025 : ANR PRCI (France - Russie) Bisceps Biaxial Strain Control of Electronic Properties of Quantum Materials

Partenaires : LPS  (V. Jacques, Coordinateur, France), Institut Néel, IRE-RAS / Kotelnikov Institute of Radio-engineering and Electronics of RAS (A. Sinchenko, Coordinateur, Russie), Institut P'  (P.O. Renault)

 

2021 - 2024 : ANR PRCI (France - Autriche) NanoFilm Films nanoarchitecturés pour une électronique flexible incassable

Partenaires : LSPM-CNRS (D. Faurie, Coordinateur, France), ESI Erich Schmid Institute of Materials Science (M.J. Cordill, Coordinateur, Autriche), Pprime Institut P' (P.O. Renault)

 

 

National :

2023 - 2027 : ANR PRC DAMMAG Influence des défauts et fissures sur les propriétés magnétiques de nanosystémes déposés sur substrats étirables (Porteur : Pierre-Olivier Renault)

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

2019 - 2023 : ANR PRC CHACAL Nano-ingénierie mécanique de matériaux 2D (Porteur : Christophe Coupeau)

 

Derniers projets arrivés à terme :

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

2017 - 2020 : ANR PRCI (France - Suisse)  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

 

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’intéresseaux 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 l’objet des recherches de 2011 à 2018, permettant de mettre en évidence un comportement similaire. Cette thématique est aujourd’hui poursuivie dans le traitement des alliages à haute entropie incluant les éléments chimiques similaires (Fe, Co, Cr, Ni…) Depuis 2019, l’équipe s’intéresse enfin aux traitements appliqués aux alliages à base titane dans l’optique de développer des couches épaisses de solutions solides de multi-interstitiels (N, O, C) permettant d’avoir un soutien mécanique profond aux couches superficielles très dures et ainsi une bien meilleure tenue à l’usure.

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Publications récentes
M. Drouet, E. Le Bourhis, Low Temperature Nitriding of Metal Alloys for Surface Mechanical Performance. Materials, 16, 4704 (2023) V. Parry, E. Le Bourhis, L. Pichon, M. Drouet, Relation between Mechanical Hardening and Nitrogen Profile of PBII Nitrided Titanium Alloy. Materials,15, 9028 (2022)   M. Drouet, L. Pichon, Y. Vallet, E. Le Bourhis, T. L. Christiansen Surface engineering of titanium alloy TiAl6V4 by multi-interstitial diffusion using plasma processing European Journal of Materials 1 (2022)  

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, A. Guillot, F. Zighem, D. Thiaudière, D. Faurie, P.O. Renault, Strain ratio and thickness effects on plasticity and crack patterns of Nickel thin films, Scripta Materialia, 213, 114638 (2022)

 

T. Chommaux, P.O. Renault, D. Thiaudière, P Godard, F. Paumier, T. Girardeau, S. Hurand, P. Goudeau In situ electrical and mechanical study of Indium Tin Oxide films deposited on polyimide substrate by Xe ion beam sputtering, Thin Solid Films 741, 139035 (2022)

 

M.J. Cordill, P. Kreiml,  B. Putz, B ; C. Mitterer, D. Thiaudiere, C. Mocuta, P.O. Renault, D. Faurie  Role of layer order on the equi-biaxial behavior of Al/Mo bilayers Scripta Materialia 194,  113656 (2021)

 

P. Godard On the use of the scattering amplitude in coherent X-ray Bragg diffraction imaging, Journal of Applied Crystallography 54 (3), 797 (2021)

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

Colin, J., Effect of stiffness contrast on the dislocation equilibrium positions in a multi-layered structure, International Journal of Solids and Structures 185, 234-235 (2022).

 

A. Rochefort, L. Vernisse, AC Gómez-Herrero, et al. Role of the structure and reactivity of Cu and Ag surfaces in the formation of a 2D Metal–Hexahydroxytriphenylene network J. Phys. Chem. C 125, 31, 17333–17341 (2021)

 

Chauraud, D.; Durinck, J. ; Vernisse, L. ; Smalley, S. ; Drouet, M. ; Coupeau, C., External stress as a way to control Au (111) reconstruction, Surface Science 162, 714 (2021)

 

J. Colin, Formation of two edge dislocations in a grain due to interface disclination dipoles J. Appl. Mech., 88(9), 091007, (2021)

Principaux équipements

Plasma d’azote dans le réacteur URANOS
Calculateur THOR
Banc NANOPLAST
Traction biaxiale sur la ligne synchrotron DIFFABS-SOLEIL

Alumni

Romain Gautier - Mécanisme de plasticité dans les matériaux nanocristallins : étude expérimentale in-situ du mouvement aux joints de grains à l'échelle atomiqueSous la direction de Christophe Coupeau et Marc Legros (CEMES - Toulouse) - Soutenue en 12/2021

 

Simon Smalley - Postdoctoral fellow - 2020-2023

 

Thibault ChommauxPropriétés 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/) - Soutenue en 03/2023

 

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 - Soutenue en 06/2023

 

Yen Fred Woguem - Propriétés mécaniques de films minces d’or nanomaclés - Sous la direction de Sandrine Brochard (Equipe PDP) et Pierre Godard - Soutenue en 11/2023

 

Valentin GazagneEtude 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) - Soutenue en 12/2023

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