Instabilités mécaniques des matériaux désordonnés en couches minces : Cas particulier du carbone amorphe azoté

Mechanical instabilities in amorphous carbon thin films

• Auteur / Autrice : Sarah Peponas
• Direction : Mohammed Benlahsen, Mohammed Guedda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Physique. Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Amiens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Déformations (mécanique)

Carbone -- Couches minces

Résumé

Durant les dernières décennies, le recours aux revêtements par films minces s’est considérablement développé. Dans ces systèmes revêtus, l’adhésion est un paramètre critique gouvernant le comportement mécanique et la fiabilité du système film/substrat. Plusieurs travaux ont permis d’établir que lors de la relaxation des contraintes, le flambage du film mince se manifestait par l’apparition de cloques ayant des formes caractéristiques telles que les cordons de téléphone. Le but de ce travail est d’étudier les origines microstructurales de délaminations spontanées et le mécanisme gouvernant leurs propagations le long de l’interface entre un film mince de carbone amorphe azoté (a-CNx) et un substrat de silicium. Ces films ont été déposés par pulvérisation cathodique radiofréquence (RF) magnétron d’une cible de graphite sous plasma d’azote, et leurs propriétés ont été déterminées avant et après délamination par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et Raman. En se basant sur la description des modes d’incorporation de l’azote dans les films d’a-CNx, l’analyse des spectres révèle une augmentation de la proportion des noyaux aromatiques et du désordre dans le films, la dissociation/recombinaison des liaisons CN ainsi que la formation de CO2 et de H2O. La réaction entre l’eau et les groupements isocyanate (R − N = C = O) à l’interface a-CNx/Si semble être un mécanisme pertinent pour gouverner la propagation de la délamination. Nous avons également étudié l’évolution post-délamination d’une cloque circulaire en utilisant les équations de Föppl Von Karmàn: nous avons pu ainsi prédire l’effondrement de cette cloque avec l’augmentation des contraintes appliquées.

During the last decades, the use of coated materials has been considerably developed. In the design of such devices, adhesion is a critical parameter governing the mechanical behavior and reliability of a thin film on a substrate. Many previous works have reported that during stress relief the film materials always orderly organize in some regions driven by the internal stress and form characteristic buckling patterns such as sinusoidal shapes. The aim of our contribution is to elucidate the microstructural origin of the spontaneous delamination cracks and the mechanisms that drive it possible propagation along the interface amorphous carbon thin film (a-CNx )/ Si substrate. The a-CNx The a-CNx films were deposited on Si using reactive radio-frequency (RF) magnetron sputtering of a high-purity graphite target in a pure nitrogen atmosphere. The properties of films were determined prior and after delamination using, infrared absorption and Raman spectroscopy experiments. Based on a description of nitrogen incorporation and the resulting hybridisation states of the CN bonds in the a-CNx films, the analysis of the spectra reveals the increase of the amount of aromatic rings and disorder within the films, and the dissociation/recombination of the CN bonds and the formation of both CO2 and H2O. The reaction of water and isocyanate groups (R − N = C = O) at the a-CNx/Si interface seem to be the relevant mechanisms to support delamination crack advance. We also studied the evolution post-delamination of one circular blister by using the equations of Föppl Von Karmàn: we predicted the collapse of this buckle with increasing the applied stress.