Etude des inhomogénéités de déformation dans les films minces polycristallins par diffraction X cohérente

Strain heterogenities in polycristalline thin films as probed by X-ray coherent diffraction

• Auteur / Autrice : Nicolas Vaxelaire
• Direction : Olivier Thomas, Stéphane Labat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 02/05/2011
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Ravy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Thomas, Stéphane Labat, Vincent Favre-Nicolin, Samuel Forest, David Le Bolloc'h, Philippe Goudeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Éléments finis, Méthode des

Élasticité

Déformations (mécanique)

Polycristaux

Rayons X -- Diffraction

Mots clés libres

Diffraction X Cohérente

Reconstruction de Phase

Micro-diffraction X

Polycristaux

Déformations

Contraintes

Elasticité

Simulation Eléments Finis

Coherent X-Ray Diffraction

Phase Retrieval

X-Ray Micro-diffraction

Polycrystals

Strain

Stress

ELasticity

3dxrd

Finite Element Modelling

Résumé

Les comportements mécaniques des films minces polycristallins sont encore mal compris à l'échelle sub-micronique. En particulier des hétérogénéités locales de déformation importantes sont attendues, mais elles restent difficile à quantifier expérimentalement. Les nouvelles possibilités offertes par les micro-faisceaux synchrotron de rayons X ont donc été utilisées dans ce travail pour éclairer cette problématique.Une réflexion de Bragg provenant d'un grain unique sub-micronique a été acquise avec une très bonne résolution dans l'espace réciproque en trois dimensions lors d'un cycle thermique. Les propriétés de cohérence du faisceau ont été utilisées pour reconstruire à trois dimensions une composante du champ de déplacement intra-grain avec une résolution d'une vingtaine de nanomètres dans les trois directions. Cette technique est basée sur des algorithmes de reconstruction de phase qui néanmoins connaissent des stagnations dans le cas des échantillons fortement déformés. Une méthodologie basée sur la connaissance de la forme du grain a donc été développée pour contourner ces difficultés. Des analyses complémentaires de diffraction X de laboratoire et de microdiffraction monochromatique ont également mis en évidence des hétérogénéités importantes de déformation entre les différents grains.

Strain heterogeneities in polycrystalline thin films are of great interest in technology because many fabrication and reliability problems are stress related. Nevertheless measuring local strains in sub-micron grains remains a real experimental challenge. This thesis is focused on recent and promising results in the field of strain measurements in small dimensions via X-ray micro-diffraction. A 3D mapping of 111 Bragg reflection from a Au sub-micron single grain was measured during a thermal cycle. Coherent properties of the beam has been used to retrieve a component of the displacement field in 3D from this single grain with a resolution around 17x17x22 nm via phase retrieval procedures. However algorithms do not always converge when the grain is highly strained. Thus alternative techniques are proposed and tested to overcome this stagnation. Complementary results from laboratory diffraction and micro 3D X-Ray Diffraction have also been analysed to compare strain at different scales. Strong strain heterogeneities has been evidenced between grains.