Etude expérimentale et investigation numérique de la multi-fissuration des films minces déposés sur un substrat souple

Study of multi-cracking of brittle thin films and brittle/ductile multilayers on compliant substrate

• Auteur / Autrice : Ilhem Ben Cheikh
• Direction : Guillaume Parry, Rafael Estevez, Davy Dalmas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 26/01/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble) - Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Wagner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Braccini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Leguillon, Éric Le Bourhis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Matériaux -- Fissuration

Mots clés libres

Multi-Fissuration

Couches mines

Multicouches fragiles/ductiles

Multi-Cracking

Thin layers

Brittle/ductile multilayers

Résumé

Les revêtements semi-conducteurs déposés sur des substrats souples sont utilisés dans différentes applications de haute technologie, par exemple pour la fabrication de composants micro-électroniques flexibles ou de cellules photovoltaïques flexibles. Sous un chargement de traction, ces revêtements subissent un endommagement caractérisé par l'apparition de multiples fissures sur leur surface avec ou sans délaminage à l'interface film/substrat. A la fin du processus de la multi-fissuration, une distance caractéristique entre les fissures peut être mesurée. Cette distance dépend principalement de l'épaisseur du film et du comportement mécanique du substrat.Dans ce projet, une étude expérimentale sur des monocouches d'oxyde et des multicouches d'oxyde et d'argent de différentes épaisseurs déposées sur deux substrats souples a été menée. Cette étude nous a permis de déterminer le comportement mécanique de chaque substrat, d'identifier les stades de la multi-fissuration des couches minces à savoir un premier stade d'apparition aléatoire de fissures, un deuxième stade de fissuration régulière et un dernier stade de saturation du réseau de fissures. L'influence de l'épaisseur de la couche d'argent a été également étudiée.Nous avons développé un modèle mécanique 2D basé utilisant des zones cohésives pour simuler l'amorçage et la propagation de fissures à travers le film. Ce modèle a permis de simuler numériquement les trois stades de la multi-fissuration des monocouches d?oxyde déposées sur polymère tels qu' observés expérimentalement. Nous avons ensuite réduit le modèle à une cellule représentative permettant de modéliser seulement les deux derniers stades de la multi fissuration. Cette cellule nous a permis d'identifier l'influence des propriétés géométriques et mécaniques des couches minces et de leur substrat sur la distance inter fissures à saturation. L'influence du délaminage interfacial a également été étudié.

Semiconductor coatings deposited on flexible substrates are used in various high-tech applications, for example flexible micro-electronic components or flexible sollar cells.When submitted to large tensile strains, these coatings undergo damage characterized by the appearance of multiple cracks on their surface with or without delamination at the film/substrate interface.At the end of the multi-cracking process, a characteristic distance between cracks can be measured.This distance depends mainly on the thickness of the film and the mechanical behavior of the substrate.In this project, an experimental study on oxide layers and oxide and silver multilayers of different thicknesses deposited on two polymer substrates was carried out.Were able to determine the mechanical behavior of each substrate and to identify the stages of the three stades of multi-cracking of thin layers.A first stade of random appearance of cracks, a second stade of regular cracking and a last stade of saturation of the network of cracks were identified.The influence of the thickness of the silver layer has also been studied.We have developed a 2D based mechanical model using cohesive zones to simulate the initiation and propagation of cracks in the film.Using this model, we successfully simulate the three stages of the multi-cracking of oxide monolayers deposited on polymer as observed experimentally.We then reduced the model to a representative cell allowing only the last two stages of multi-cracking to be modeled. This cell allowed us to identify the influence of the geometric and mechanical properties of the thin layers and their substrate on the distance between cracks to saturation.The influence of interfacial delamination has also been studied.