UPThèses

Dans le contexte des matériaux composites Al/Al-Cu-Fe, la phase ω-Al7Cu2Fe et des composites Al/ω ont été élaborés puis les microstructures et les propriétés mécaniques de ces matériaux ont été étudiées. La phase ω a été élaborée sous forme monolithique et dense par compression isostatique à chaud et par frittage flash. Des essais de micro-indentation, de frottement intérieur et de compression couplés à des essais transitoires ont été réalisés entre 293 K et 1000 K. Une transition fragile-ductile entre 650 K et 820 K a été mise en évidence. Les courbes contrainte-déformation montrent une limite d'élasticité supérieure suivie uniquement par de l'adoucissement ou un stade à durcissement nul. La limite d'élasticité supérieure présente une forte dépendance en température suggérant des mécanismes de déformation thermiquement activés. L'évolution des volumes d'activation avec la contrainte appliquée présente deux régimes de températures avec une température de transition vers 900 K. Des observations de microscopie électronique en transmission révèlent une distribution hétérogène de dislocations. Ces résultats originaux sur la phase ω-Al7Cu2Fe montrent de fortes similitudes avec les propriétés bien connues de la phase quasicristalline Al-Cu-Fe associée et apportent de nouveaux éléments de compréhension de la plasticité de ces matériaux complexes. Deux composites Al/ω ont été élaborés par compression isostatique à chaud. L'un est obtenu à 673 K à partir de particules ω initiales tandis que l'autre est obtenu à 823 K à partir de particules Al-Cu-Fe initialement sous forme quasicristalline. La matrice, observée par microscopie électronique en transmission, présente une microstructure complexe avec différentes distributions de particules selon la température d'élaboration. A partir d'essais de compression couplés à des essais transitoires et à la diffraction de neutrons, le renforcement de la matrice Al est attribué au transfert de charge et au durcissement de la matrice par des microstructures différentes.

Les travaux exposés dans cet ouvrage portent sur l'élaboration, la caractérisation microstructurale et les propriétés mécaniques de solutions solides nanolamellaires de phases dites MAX. Les phases MAX représentent une classe exceptionnellement étendue de céramiques. Elles répondent à une formule générale du type Mn+1AXn (n=1, 2 ou 3) où M est un métal de transition, A est un métal des groupes IIIA ou IVA, et X est un métalloïde (C ou N). Nous avons dans un premier temps réalisé l'optimisation de la synthèse, par métallurgie des poudres, de Ti3AlC2 pur. Une nouvelle phase, Ti3SnC2, ayant été découverte au laboratoire en 2007, les travaux se sont alors focalisés sur la synthèse de solutions solides du type Ti3AlxSn(1-x)C2 par pressage isostatique à chaud. Nous nous sommes, par la suite, attachés à la caractérisation microstructurale de ces solutions solides en étudiant notamment les variations du paramètre de maille, du taux de distorsion des octaèdres [Ti6C] et des prismes trigonaux [Ti6AlxSn(1-x)]. Enfin, nous avons déterminé la dureté intrinsèque et le module d'élasticité des différentes solutions solides en fonction du taux de substitution en utilisant la nanoindentation. Par ailleurs, des essais de compression, uniaxiale et sous confinement de gaz, ont été réalisés à température ambiante, afin d'étudier et de comparer les mécanismes de déformation de Ti3AlC2 et de la solution solide Ti3Al0.8Sn0.2C2. Les relations entre modifications microstructurales et propriétés mécaniques sont discutées. Nous montrons notamment que Ti3AlC2 et Ti3Al0.8Sn0.2C2 peuvent être considérés comme des matériaux "Kinking Non-linear Elastic".

Ces travaux de thèse concernent l'étude de matériaux nanocomposites métalliques à base de cuivre/niobium (Cu/Nb), combinant conductivité électrique et limite d'élasticité élevées et développés pour la fabrication de bobines résistives de champs magnétiques pulsés intenses. Les conducteurs nanocomposites Cu/Nb continus sont élaborés par une méthode de déformation plastique sévère (DPS), basée sur des cycles d'extrusions, d'étirages et d'empilements successifs, conduisant à la formation d'un matériau nanostructuré multi-échelle. Afin d'optimiser le procédé de fabrication, l'effet des traitements thermiques sur les textures ainsi que leur formation au cours de l'élaboration ont été étudiés par diffraction des rayons X en laboratoire. Des expériences complémentaires de traitements thermiques in-situ sous rayonnement synchrotron ont permis une meilleure compréhension des mécanismes élémentaires de restauration de la microstructure et la définition d'un traitement thermique optimisé. La stabilité thermique des conducteurs apparaît aussi fortement dépendante des dimensions microstructurales : une frustration des phénomènes de restauration, de recristallisation et de croissance des grains est observée pour les conducteurs nanostructurés. Ces résultats ont permis de fabriquer des conducteurs " co-axiaux " optimisés, renforcés par des nanofilaments et des nanotubes de niobium. Leurs propriétés microstructurales et physiques ont été caractérisées et comparées aux anciennes générations de conducteurs nanocomposites Cu/Nb. Les propriétés obtenues et la possibilité d'élaborer de grandes longueurs de fils rendent ces matériaux compétitifs pour les futures applications en champs pulsés.

Ce travail porte sur la compréhension des mécanismes de génération de la contrainte durant la croissance 2D de films métalliques de basse mobilité. L'évolution de la contrainte est suivie in-situ et en temps réel durant la croissance par pulvérisation magnétron de films Mo-Si par mesure de la courbure du substrat. Le dispositif optique multi-faisceaux utilisé offre une sensibilité sub-monocouche et permet ainsi de détecter des changements subtils de la contrainte de surface/interface, les transitions structurales et la formation de défauts dans le film. Les réusltats sont interprétés et discutés sur la base d'obesrvations ex-situ XRD, ESBD, HRTEM et AFM. Il est montré la possibilité d'ajuster la contrainte en changeant les conditions de nucléation, le flux et l'énergie des particules incidentes. Pour les solutions solides métastables Mo1-xSix sur a-Si, l'établissement au-delà d'une épaisseur critique d'une contrainte de tension, corrélée à l'augmentation de la taille latérale des grains, est attribuée à un changement de volume à la cristallisation du film. En revanche, pour des conditions similaires de dépôt, un état stationnaire en compression se développe dans les films dont la croissance est initiée sur c-Mo, après un stade initial en tension résultant d'une croissance en épitaxie, la formation de défauts est identifiée comme la source principale de cette contrainte compressive. Selon l'énergie des espèces pulvérisées, les atomes s'incorporent préférentiellement dans les joints de grains ou en interstitiel dans le grain, ce qui conduit à deux états distincts de contrainte, comme le révèlent les analyses XRD ex-situ.

Les travaux exposés dans cet ouvrage portent sur le comportement mécanique de l'oxyde de magnésium (MgO) sous nanoindentation. L'étude est plus particulièrement focalisée sur les mécanismes élémentaires de déformation précédant et accompagnant le phénomène de pop-in. L'observation de la surface autour des zones indentées, et en particulier des lignes de glissement, a été réalisée par microscopie à force atomique (AFM). La structure en volume des dislocations nucléées lors de l'essai de nanoindentation a été explorée par une technique de tomographie couplant polissage mécano-chimique (CMP) et nano-attaque chimique. Ces études expérimentales ont été confrontées à des simulations numériques menées à l'aide d'un code de dynamique de dislocations discrètes (DDD) couplé à un code éléments finis. Une étude bibliographique présentant en particulier les mécanismes de plasticité associés au phénomène de pop-in est tout d'abord proposée. Des expériences menées sur des échantillons présentant une très faible concentration de défauts sont ensuite présentées. Les résultats expérimentaux montrent que contrairement à l'idée communément admise, la déformation précédant le pop-in n'est pas nécessairement purement élastique. Par la suite, l'introduction contrôlée de défauts (défauts ponctuels, dislocations) dans le matériau a permis d'étudier leur influence sur les mécanismes initiaux de plasticité. Enfin, les simulations numériques ont permis d'accéder au comportement des dislocations individuelles dans le champ de contraintes complexe généré par l'indenteur tout au long d'un cycle d'indentation. Ces résultats apportent un éclairage sur les comportements observés expérimentalement.

Les échantillons de nitrures ternaires de métaux de transition ont été élaborés par trois techniques de dépôt différentes : Pulsed Laser Deposition (PLD), pulvérisation magnétron (PUMA) et pulvérisation sous faisceau d'ions (DIBS). Les propriétés structurales et optiques des échantillons ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD) et par spectroscopie de réflectivité optique (SRO). Des mesures de composition ont également été effectuées par spectroscopie d'électrons Auger (AES) et par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDXS). Les contraintes ont été déterminées en mesurant la courbure du substrat et en utilisant des techniques de diffraction des rayons X. Les analyses microstructurales ont révélé que tous les échantillons ont cristallisé dans la structure NaCl et le paramètre de réseau suit la loi de Vegard. Les propriétés optiques de ces films sont assimilables à celles des conducteurs. Les mesures de contraintes ont révélé que les films sont en compression.

Dans ce travail, nous avons étudié le comportement structural des films minces d'oxyde d'yttrium sous faisceau d'ions, lors de leur élaboration et sous irradiation. Une attention particulière a été portée sur le rôle des défauts cristallins en combinant les techniques de DRX, MET et RBS. Les films déposés sur différents substrats par pulvérisation ionique présentent un écart important par rapport à la structure cubique-C idéale, avec de nombreux défauts induits lors de la croissance par effet d'" atomic peening " (lacunes d'oxygène et paires anti-Frenkel). L'état de contrainte résultant a été décrit par un modèle triaxial, permettant d'interpréter les évolutions expérimentales observées. Les cinétiques de remise en ordre sous recuit de la structure défective ont été étudiées par DRX in situ. Une forte influence de la contrainte initiale (et donc de l'énergie élastique emmagasinée) a été clairement mise en évidence. Pour les forts états de contraintes résiduelles, la transformation est observée à basse température (dès 250°C). Une approche thermodynamique justifie que la structure cubique-C défective peut être assimilée à une phase de type fluorine stabilisée par la contrainte. Enfin, deux comportements sont observés sous irradiation aux ions xénon, avec à basse énergie (<180 keV) une amorphisation de la structure, et à haute énergie une transition cubique-monoclinique. Pour justifier l'existence de ces deux régimes, le mécanisme de transformation a été expliqué par un effet de stabilisation, par la contrainte, de boucles lacunaires dans les plans {111}, de rayon sur-critique dépendant de la taille des cascades.

L'influence de différentes méthodes de préparation de surface sur la microstructure et les propriétés électriques des contacts à base Co sur n-Ge a été étudiée. Il a été montré que les nettoyages thermiques s'accompagnent de la diffusion d'impuretés métalliques dans le substrat. Lors du recuit, ces impuretés sont piégées par la formation des germaniures de cobalt. Un nettoyage à 700°C ou une attaque au HF permettent d'éliminer l'oxyde de germanium natif à l'interface M/SC, contrairement à un nettoyage thermique à 400°C qui cependant modifie la nature chimique de l'oxyde. Pour tous les échantillons, une microstructure complexe est observée après formation des germaniures. Les échantillons présentent une augmentation de la rugosité de l'interface M/SC et la coexistence des phases Co5Ge7 et CoGe2. Après un nettoyage à 400°C, une microstructure particulière, attribuée à l'oxyde restant après "nettoyage" est observée. Dans tous les cas, le modèle thermoïonique ne suffit pas à expliquer le comportement des diodes Schottky. En particulier, les valeurs obtenues pour la constante de Richardson sont très en deçà de la valeur attendue. Par une analyse en température des hauteurs de barrières, nous avons montré la nécessité de raisonner en terme d'inhomogénéités de barrière, ces dernières étant influencées par la microstructure. De plus, un fort ancrage du niveau de Fermi est observé pour les contacts directs M/SC alors qu'il est partiellement levé par l'oxyde de germanium natif présent à l'interface M/SC. Finalement, nous avons montré que ce désencrage du niveau de Fermi est lié à la nature chimique de l'oxyde.

L'endommagement induit par implantation de xénon dans le silicium a été étudié par microscopie électronique à transmission (MET). Les implantations réalisées à 350°C, à une énergie de 250keV et pour des fluences supérieures à >1x1016 Xe ions/cm2 conduisent à la formation d'une couche amorphe enterrée. Les observations effectuées sur les échantillons recuits montrent la présence d'une rangée de grandes cavités allongées dans la direction perpendiculaire à l'interface. Ceci suggère que, lors de la recristallisation du silicium, le déplacement simultané des deux interfaces entraîne le déplacement du gaz jusqu'à son confinement dans de larges bulles. Afin de mieux appréhender les mécanismes qui conduisent au mouvement des bulles, de l'hélium à faible dose a été implanté dans du silicium préalablement amorphisé par implantation de Li à basse température. L'implantation d'hélium dans le silicium amorphe conduit à la formation de bulles de forme irrégulière. Ce résultat diffère du silicium cristallin où des bulles sphériques sont obtenues pour des conditions d'implantation identiques. Les expériences réalisées 'in situ' dans le MET montrent clairement d'une part que les bulles sont poussées par l'interface, et d'autre part la nucléation de micromacles. Il a été mis en évidence au cours de cette étude que les bulles sont mobiles à plus basse température dans le silicium amorphe que dans la phase cristalline. Lors de la recristallisation, les bulles se trouvent alors confinées dans le matériel amorphe, ce qui résulte en leur coalescence et à la formation de larges bulles une fois que les deux fronts de recristallisation se sont rejoints. De plus, il a été établi que la formation de micromacles dans la région recristallisée est liée à un excès de défauts de type interstitiels dans la zone amorphe. Ce résultat est contraire aux modèles de la littérature qui suggèrent que les micromacles se forment soit sur des plans {111} soit sur les bulles.

The Ph.D. work objective was the measurements of the mechanical properties of polymer foils and metal coated polymers, in connection with their microstructures. Two similar micro-tensile deformation devices were developed, which differ by their original non-contact deformation measurement techniques that are electronic speckle pattern interferometry and optical mark-tracking, at the Universities of Kaunas and Poitiers, respectively. The elongation range of both equipments allows for the investigation of elastic and plastic properties of polymer foils, coated polymer foils with thin metallic films. The substrates were either Kapton(r) HN or PET foils that were coated by electron beam evaporation with Al, Ag, Cr and Ni 0.5 thick thin films on both sides. The Young's moduli of the metallic thin films (Ef) were deduced from the stress-strain curves of the substrates and of the metallic/substrate composites. For Al and Ag, the deduced Ef values are in good agreement with those of bulk materials (Eb), while the Ef values for Ni and Cr are found drastically smaller than those of Eb. It was however observed that the Al and Ag metallic layers were uniform, whereas Ni and Cr films were far less regular and exhibit cracks. The microstructures and metal/polymer interfaces were essentially studied on the Ag/PET system. The influence of metal coverage on interface composition, structure, morphology and particle size has been studied by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM) and X-ray diffraction (XRD). In addition, the role of deposition temperature over the temperature range 20°C-140°C, i.e. below and above Tg (Tg = 80°C is the PET glass transition temperature), was also examined to understand how microstructure, residual stress, chemical composition and morphology of the Ag/PET layer structure is affected. It was observed that Ag 1 μm thick films evaporated at different temperatures show a compressive stress state with either a (111) texture component below Tg or a random grain orientation above Tg. The texture is formed at the very early stage of growth, at a thickness of nearly 20 nm where the Ag film is still discontinuous. Within the investigated temperature range, the Ag grain size does not depend on the deposition temperature and the deposited films are mostly composed of pure Ag with partially oxidized surface.