Étude in-situ de l’influence de la microstructure et de l’architecture sur la rupture de films minces métalliques sur substrats flexibles

In-situ synchrotron study of the influence of microstructure and architecture on the fracture of metallic thin films on flexible substrates

• Auteur / Autrice : Shuhel Altaf Husain
• Direction : Damien Faurie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Paris 13 en cotutelle avec Université de Poitiers (1896-....), Montanuniversität Leoben
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (Villetaneuse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Djemia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Megan Cordill, Pierre-Olivier Renault, Guillaume Parry, Szilvia Kalacska
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ralph Spolenak, Christoph Kirchlechner
• DOI : 10.70675/8f02df8az8b72z4224zae34z6815e137be3a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Couches minces

Propriétés mécaniques

Matériaux -- Fissuration

Mots clés libres

Films minces métalliques

Comportement mécanique

Déformation biaxiale

Metallic thin films

Mechanical behavior

Biaxial straining

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier le comportement mécanique, en particulier la multi-fissuration, de systèmes mono,  bi et tricouches (Mo, Cu, Cr et Nb) sous un chargement mécanique. Les films minces fragiles (Mo, Cr, Nb) et ductile (Cu) sont déposés sur des substrats en polyimide par pulvérisation ionique et magnétron offrant une microstructure (taille de cristallites, contrainte résiduelle et texture) propre à la technique de dépôt conduisant ainsi à un comportement mécanique différent. L'étude de ces systèmes multicouches, à l'aide d'essais de traction, a été rendu possible par la combinaison in-situ de différentes sondes que sont la diffraction des rayons X (déformation microscopique), la corrélation d'images numériques (déformation macroscopique) et la mesure de résistance électriques. Le rayonnement synchrotron, disponible sur la ligne de lumière Diffabs à SOLEIL, a été indispensable pour sonder individuellement la réponse mécanique de chaque matériau constituant la multicouche.L'influence de plusieurs paramètres intrinsèques aux matériaux comme la taille de cristallites et les contraintes résiduelles et extrinsèques comme l'architecture, ont été étudiés. L'ingénierie des contraintes résiduelles de la couche de Mo, en ajustant la pression de travail pendant le dépôt, a permis d'obtenir trois niveaux de contraintes résiduelles différents (compression, zéro et tension). Plus la contrainte est faible (c'est-à-dire en compression), plus l'initiation de la fissuration est retardée. Ensuite, dans les systèmes tricouches, le choix de déposer la couche supérieure de Cr en tension et la couche de Mo d'en-dessous en compression nous a permis d'étudier la fissuration, initiée à partir de la couche supérieure de Cr et sa propagation à travers toutes les épaisseurs des couches. Et enfin, la position de la couche de Mo dans des systèmes bi et tricouches a permis d'augmenter la contrainte de rupture et de retarder l'initiation de la fissuration. La synthèse de l'effet des différents paramètres a finalement été discutée.

This thesis aims to study the mechanical behavior, in particular, multi-cracking of monolayer, bi- and trilayer systems (Mo, Cu, Cr and Nb) under mechanical loading. Brittle (Mo, Cr, Nb) and ductile (Cu) thin films are deposited onto polyimide substrates by ion and magnetron sputtering, providing a microstructure (crystallite size, residual stress and texture) specific to the deposition technique, leading to different mechanical responses. The study of these multilayer systems using mechanical tensile tests was made possible by the in-situ combination of different probes, which are X-ray diffraction (microscopic deformation), digital image correlation (macroscopic deformation) and electrical resistance measurements. Synchrotron radiation, available on the Diffabs beamline at SOLEIL, was essential to probe individually the mechanical response of each material composing the multilayer.The influence of several intrinsic material parameters, such as crystallite size and residual stress, and extrinsic parameters, such as architecture, were studied. Residual stress engineering of the Mo layer by adjusting the working pressure during deposition resulted in three different levels of residual stress (compressive, zero and tensile). The lower the stress (i.e., in compressive), the more crack onset strain is delayed. Secondly, in trilayer systems, the choice of depositing the top Cr layer in tension and the Mo layer below in compression enabled us to study cracking initiated from the top Cr layer and its propagation through all layer thicknesses. Finally, the positioning of the Mo layer in bi- and trilayer systems enabled us to increase fracture stress and delay crack onset strain. The effect of the various parameters was summarized and discussed.