Effet de la pression sur le phénomène de cloquage des films minces

Effect of pressure on the buckling phenomenon of thin films

• Auteur / Autrice : Eloi Dion
• Direction : Christophe Coupeau, Jérôme Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Poitiers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à force atomique

Irradiation

Élasticité

Flambage (mécanique)

Couches minces

Résumé

Ce manuscrit est consacré à l'étude des effets de pression sur le cloquage des matériaux revêtus. Des expériences par microscopie à force atomique (AFM) ont tout d'abord été réalisées afin de caractériser les structures cloquées présentes à la surface de composites film/substrat. La mesure AFM de la déflexion maximale de ces structures avant et après découpe par faisceaux d'ions localisés (FIB) a alors mis en évidence une augmentation significative de quelques dizaines de nanomètres de leur déflexion. La détermination des formes d'équilibre des films sous l'action d'une pression et d'une contrainte résiduelle dans le cadre du formalisme de Föppl-von Karman (FvK), puis la comparaison de ces formes avec les profils expérimentaux, a permis de justifier la présence de vide sous les cloques. L'effet combiné de la pression et du caractère "rigide" du substrat sur les structures cloquées a ensuite été exploré. Cet effet a permis d'expliquer la limitation de la dimension latérale des cloques. Le deuxième chapitre, dédié aux tests mécaniques par gonflement de membranes (bulge test), a permis de mettre en évidence les limitations des modèles utilisés pour décrire l'évolution de revêtements soumis au bulge test. Plus particulièrement, une pression critique au delà de laquelle ces modèles ne sont plus adaptés a été déterminée en fonction des différents paramètres du problème. Enfin, dans le dernier chapitre, les effets de couplage pression/contrainte internes sur des cloques circulaires, induites sous certaines conditions spécifiques par les dégâts d'irradiations, ont été étudiés également dans le formalisme de FvK. Une méthode permettant d'estimer à partir de la morphologie des cloques, le niveau de la pression dans les cavités engendrées par l'implantation d'ions légers est alors développée.

This Thesis is dedicated to the study of the effect of pressure on the buckling phenomenon of thin films. Atomic force Microscopy (AFM) experiments have been first realised to charaterize buckled structures of film/substrate composites. The measurements of the maximal deflection of these structures by AFM before and after focus ion beam (FIB) cuts have evidenced a signicant increase of a few tens of nanometers. The determination of the equilibrium solutions under the action of a pressure mismatch and a residual stress, in the framework of the Föppl-von Karman’s (FvK) theory of thin plates, and the comparison of these solutions with the experimental profiles, have allowed to justify the presence of vacuum below the buckles. The combined effect of the pressure and the "rigid" aspect of the substrate have been also explorated. This effect has been used to explain the limitation of buckle’s lateral size. The second chapter, dedicated to the mechanical testing by bulging of membranes (bulge test), has allowed to evidence the limitations of the classical models used for describing their mechanical evolution. A critical pressure beyond which these models are no more valid has been determined, as a function of the differents parameters of the problem. Finally, in the last chapter, the combined effect of the internal pressure and stress on circular buckles, induced under specific conditions of irradiations, have been also studied in the framewok of the FvK’s theory of thin plates. A new method allowing the estimation of the pressure level inside the cavities from the morphology of the buckles has been developed.