Caractérisation optique des déformations à l'échelle nanométrique

Optical Characterization of Strains and Map Strains at the Nanoscale

• Auteur / Autrice : Joseph Marae Djouda
• Direction : Yazid Madi, Guillaume Montay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 22/04/2016
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Collectivité territoriales : Grand Troyes
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'enseignement supérieur : EPF Ecole d'Ingénieur-e-s
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Michel Adam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yazid Madi, Guillaume Montay, Pierre-Michel Adam, Jérôme Crépin, Eric Finot, Thomas Bürgi, Fabrice Pierron, Yves Surrel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Crépin, Eric Finot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Résonance plasmonique de surface

Jauges de contrainte

Acier inoxydable

Nanoparticules

Déformations (mécanique)

Mots clés libres

Déformations

Nanoparticules

Acier inoxydable

Jauges de contrainte

Résonance plasmonique

Polymères

Deformations

Nanoparticles

Stainless steels

Strain gages

Surface plasmon

Polymers

Résumé

La mesure des déformations de la microstructure est importante pour l’étude des propriétés et le contrôle des structures. Nous proposons deux approches nouvelles de caractérisation de déformations nanométriques. Elles utilisent des nanoparticules (NPs) d’or déposées à la surface des matériaux. Dans la première approche, les réseaux de NPs sont déposés par lithographie électronique. Lors d’essais de traction uniaxiale dans un microscope électronique à balayage les images prises à de chargements successifs permettent de suivre le déplacement de NPs qui jouent le rôle de nanojauges. L’analyse des champs cinématiques obtenus à partir des images MEB révèle des phénomènes de plasticité au sein de la microstructure et les hétérogénéités de déformations. La méthode a été appliquée aux aciers inoxydables austénitique et duplex austéno-ferritique. Elle a été couplée à la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés. Les mécanismes de déformations locaux ont été mis en évidence. Dans la seconde approche, nous essayons de tirer parti des propriétés optiques de NPs afin de suivre l’évolution de déformations à la surface des matériaux. Les NPs supportent un plasmon localisé de surface dont la résonance est fonction de la taille, de la forme des NPs ou de l’indice optique du milieu environnant. Sa position spectrale dépend aussi de la distance inter-NPs. Notre étude a été limitée à des polymères. Un dispositif permettant de réaliser les mesures d’extinctions au cours de la traction a été développé. Les premiers essais constituent la preuve expérimentale de ce concept

The strain measurement at the microstructure is important for the properties study and structure control. We propose two new approaches of strain characterizations at nanoscale. They are based on the use of gold nanoparticles (NPs) arrays deposited on the surface of materials.In the first approach, arrays of NPs are deposited by the electron beam lithography technique. During in situ tensile test inside a scanning electron microscope, the images of the array are progressively recorded. The treatment of these images gives access to 2D strain tensor components and NPs played the role of nanogauges. The strains at components of the microstructure and the heterogeneities of plastic deformations are evidenced. This method was coupled to the electron backscatter diffraction technique. The local deformation mechanisms can then be highlighted. In the second approach, we try to take advantage of optical properties of gold NPs to track the strain evolutions at the surface of materials. Gold NPs support localized surface plasmon that resonance is function of size and shape of NPs or of the surrounding medium. In addition, plasmon resonance also depends to NPs separation. We therefore sought to determine whether the displacements of NPs during tensile test may be monitored optically. The study was limited to the case of polymers. An experimental set up was developed to carry extinction measurement during a tensile test. These first tests constitute experimental proof of this concept. The spectral variations were analyzed to determine the performance of the optical strain-sensor proposed