Rupture et délamination de films minces

Fracture and delamination in thin films

• Auteur / Autrice : Joel Marthelot
• Direction : Benoît Roman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/06/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale la physique de la particule à la matière condensée (....-2013)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : À renseigner Marigo, À renseigner Geminard, À renseigner Adda-Bedia, À renseigner Hutchinson, À renseigner Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux continus, Mécanique des

Rupture, Mécanique de la

Mots clés libres

Mécanique de la rupture

Mécanique de milieux continus

Films minces

Délamination

Motifs

Élasticité

Thin films

Delamination

Résumé

Les films minces sont abondamment utilisés pour protéger ou fonctionnaliser les surfaces. Les contraintes mécaniques peuvent cependant entraîner la ruine de ces structures par la propagation de fissures ou leur décollement. Nous présentons deux systèmes expérimentaux qui amènent à s'interroger sur les limites de validité des critères de stabilité communément admis. Pour une couche de sol- gel présentant une énergie d'adhésion modérée avec son substrat de silicium, nous observons la propagation de fissures dans des films réputés stables. Les motifs de propagation sont étonnement réguliers (en forme de spirales ou d'allées de croissants). Nous caractérisons expérimentalement cette propagation. Nous mettons en évidence un nouveau mode de propagation de fissure où la délamination et la fissure transverse collaborent. Nous montrons l'existence d'une taille d'interaction robuste entre fissures indépendantes du chargement et des énergies de rupture. Nous proposons un modèle simple permettant de prédire les conditions de propagation et la sélection des motifs. Nous caractérisons enfin la dynamique de propagation de telles fissures. Dans un second système expérimental motivé par les applications en électronique flexible, nous nous intéressons à des films nanométriques d'oxyde de zinc déposés sur des substrats de polymère. La rigidité du substrat est alors faible devant celle de la couche. Nous décrivons la fragmentation du film et proposons une extension d'un modèle de couche élastique sur fondation élasto-plastique. Enfin, nous nous intéressons à la compression et à la fragmentation d'un multicouche comportant une fine épaisseur d'argent.

Nanometer to micrometer thin film coatings are extensively used in material science to protect and functionalize surfaces. Coating processes however generally result into residual strains and may induce the propagation of cracks with dramatic consequences on film reliability. We present two experimental models which challenges the usual stability criteria for thin films. For a thin sol-gel layer moderatly adherent to a silicon substrate, we observe fracture propagation in coatings considered stable. Moreover, intriguing cracks of regular geometry are found to self-replicate an initial triggering pattern independently from the local material properties. We present a novel mode of fracture which involves the simultaneous progression of both, a crack and a front of delamination. We describe the fracture mechanism with universal energy arguments and provide a simple model describing the crack path. We eventually characterize the dynamics of the propagation. In a second model experiment, we study the fragmentation of coating deposited on a compliant substrate (motivated by flexible electronics application). We describe the fragmentation and propose an extension to an elastic layer deposited on an elastic foundation to an elasto-plastic case. Eventually, we study the compression and fragmentation of a zinc oxyde and silver multilayer