Comportement électro-mécanique de couches minces d'oxyde d'indium dopé à l'étain et déposées sur des substrats flexibles

Electro-mechanical behavior of indium tin oxide thin films deposited on flexible substrates

• Auteur / Autrice : Thibault Chommaux
• Direction : Pierre-Olivier Renault, Dominique Thiaudière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Soutenance le 09/03/2023
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guionneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anny Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Leterrier, Jean-Luc Béchade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Rayons X -- Diffraction

Rayonnement synchrotron

Couches minces

Piezorésistivité

Mots clés libres

Couches minces d'ITO

Systèmes multicouches

Comportement électro-Mécanique in situ

Diffraction de rayons X

Rayonnement synchrotron

Déformation biaxiale

ITO thin films

Multilayers systems

In situ electro-Mechanical behavior

Multi-Scale characterization

X-Ray diffraction

Synchrotron facility

Biaxial deformation

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’étudier les comportements électrique et mécanique de films minces cristallins d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO) soumis à une déformation équi-biaxiale. Les influences de la microstructure et de l’organisation des systèmes multicouches, lorsque l’ITO est associé à une couche métallique (Ag), sont analysées en détail. Les différentes couches minces sont déposées sur des substrats en polyimide par pulvérisation ionique, avec un contrôle de la microstructure grâce à l'ajustement des paramètres de dépôt. L’étude du comportement électro-mécanique des matériaux composites a été réalisée au travers d’expériences de déformation in situ, caractérisées avec une approche multi-échelle, combinant des mesures de déformation élastique par diffraction de rayons X (DRX), de déformation macroscopique par corrélation d’images numériques (CIN) et de résistivité électrique. Pour cela, nous avons développé l’intégration de mesures électriques 4 pointes au dispositif expérimental, comprenant la machine de traction biaxiale installée sur la ligne de lumière DiffAbs au synchrotron SOLEIL. Le rayonnement synchrotron, dans le cas présent, permet d’assurer la caractérisation fine du comportement mécanique de couches ayant un faible volume diffractant, au cours d’un essai de traction continu. Ce travail de recherche met en exergue la complémentarité entre les caractérisations microstructurales par DRX et les caractérisations électriques réalisées avec la méthode Van der Pauw. En particulier, le seuil d’apparition des fissures a été déterminé de façon précise, et le lien avec la présence de défauts ponctuels dans la microstructure a pu être mis en évidence. Ces expériences originales ont également permis de réaliser un important travail sur la détermination de la piézorésistivité électrique et de l’anisotropie élastique de l’ITO.

The electrical and mechanical behavior of crystalline indium tin oxide (ITO) thin films, subjected to equi-biaxial deformation, is strongly dependent of the microstructure, but also of the organization in multilayer systems, if associated with a metallic layer (Ag). The thin films are deposited on polyimide substrates by ion beam sputtering, the control of the microstructure being ensured by adapting the deposition conditions. The study of the electro-mechanical behavior of composite materials was carried out through in situ deformation experiments characterized with a multi-scale approach, combining measurements of elastic strains by X-ray diffraction (XRD), macroscopic strains by digital image correlation (DIC) and electrical resistivity. For this purpose, we set up the integration of 4-point probes electrical measurements to the experimental setup, including the biaxial traction machine located at DiffAbs beamline of the French SOLEIL synchrotron facility. The synchrotron radiation, in this case, allows the fine characterization of the mechanical behavior of films with extremely small diffracting volumes during a continuous tensile test. This work emphasises the complementarity between the XRD microstructural characterizations and the electrical characterizations performed with the Van der Pauw method. In particular, the cracks propagation has been accurately established, and the link with the presence of punctual defects in the microstructure has been highlighted. These original experiments have also allowed to carry out an in-depth investigation of the electrical piezoresistivity and the elastic anisotropy of ITO.