Étude expérimentale du comportement mécanique de matériaux 2D sur substrats sous contrainte : cas du MoS₂

Mechanical behaviour of 2D materials on strained substrates : experimental investigation on MoS₂

• Auteur / Autrice : Emmanuel Adetola Fodeke
• Direction : Christophe Coupeau, Loranne Vernisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Soutenance le 09/06/2023
• 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 : Kouakou Boniface Kokoh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Claudel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Parry, Philippe Leclère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bisulfure de molybdène

Matériaux 2D

Microscopie à force atomique

Élasticité

Flambage (mécanique)

Couches minces

Mots clés libres

Cloquage

Délaminage

Couches Minces

Microscopie à Force Atomique

Élasticité

MoS2

TMDCs

Buckling

Delamination

Thin Films

Atomic Force Microscopy

Elasticity

MoS2

TMDCs

Résumé

Le but de cette thèse est d'étudier la réponse mécanique des films ultra-minces de MoS₂ à la contrainte de compression et de déterminer si la théorie de flambage des films minces peut s’appliquer aux matériaux 2D. Les films minces de MoS₂ sont transférés de leurs substrats de croissance au substrat de polyéther-éther-cétone dans l'eau à l'aide d'un processus d'ultrasonication où aucun revêtement sacrificiel n'est utilisé. Les échantillons sont déformés en imposant une déformation uni-axiale sur les substrats. La réponse concomitante du film sous la forme de rides droites a été observée et caractérisée par microscope à force atomique in-situ. La propagation et l'interaction des rides observées sont en accord avec les rides de films minces métalliques sous compression. Le module d’Young du film contraint a été déterminé en tirant parti des dépressions observées sur les bords des rides. L'évolution du cloquage est étudiée dans le cadre des équations de Föppl–von Kármán modifiés où l'influence de l'élasticité du substrat est prise en compte. Une comparaison des résultats expérimentaux avec le modèle Föppl–von Kármán révèle une augmentation de la déflexion maximale de la structure de cloquage des films contraints. La différence a été reliée au déplacement du film par rapport au substrat qui est imposé par le glissement et le cisaillement à la frontière entre la partie plane du film et la ride. Ce déplacement augmente à mesure que la compression appliquée sur le substrat augmente. et a également été lié à la réduction progressive de l'efficacité du transfert de contrainte du substrat au film dans sa partie plane. La contrainte de flambage critique élevée observée qui est liée à l'adhérence du film au substrat est discutée. Enfin, l'énergie d'adhésion du système film/substrat est déterminée à partir des paramètres de morphologiques des cloquages.

The purpose of this thesis is to investigate the mechanical response of ultrathin MoS₂ films to compressive strain and determine if the buckling theory of thin plates can be extended to extremely thin 2D materials. MoS₂ thin films are transferred from their growth substrates to polyether-ether-ketone substrate through a homemade technique where no sacrificial coating is used. Samples are deformed by imposing uniaxial strain on the substrates. The concomitant response of the film in the form of straight-sided buckles has been observed and characterised by in-situ atomic force microscope. Propagation and interaction of the straight-sided buckles are compared and found to be in good agreement with straight-sided buckles of thin metallic plates under compression. The Young’s modulus of the strained film has been determined by taking advantage of depressions observed at the edges of the buckles. The evolution of the buckles is studied in the frame-work of modified Föppl–von Kármán equations where the influence of substrate elasticity is considered. A comparison of experimental results with the theoretical model reveals an increase in maximum deflection of the buckling structures. The difference has been linked to the displacement of the film with respect to the substrate which is imposed by the sliding and shearing at the boundary of the flat film that pushes on the buckle. This displacement increases as the applied compression on the substrate increases and has also been linked to the gradual reduction of strain transfer efficiency from the substrate to the film. The observed high critical buckling strain which is linked to the adhesion of the film to the substrate is discussed. Finally, the adhesion energy of the film/substrate system is determined from the morphological buckle parameters.