Cloquage des revêtements et films minces : étude expérimentale etnumérique du vieillissement de l’interface film/substrat

Buckling of coatings and thin films: an experimental and numericalstudy of the ageing of the adhesion properties

• Auteur / Autrice : Vincent Poirier
• Direction : Christophe Coupeau, Sophie Rousselet-Muzard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 18/09/2025
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)

Résumé

Objectif. Nos études ont concerné par le passé l'effet de l'élasticité et de la plasticité des substrats, l'observation de structures de cloquage spécifiques en fonction des propriétés mécaniques des films minces considérés, la question de la pressions extérieure s’exerçant sur les structures de cloquage, la limite du cadre théorique élastique pour comprendre le flambage lorsque des plis plastiques sont observés, le cloquage de matériaux 2D tels (que le graphène) pour lesquels les structures cloquées sont discutables en raison de leur épaisseur ultime... Nous souhaitons dorénavant focaliser notre attention sur les propriétés d’adhésion film/substrat, qui pilotent la propagation de la fissuration interfaciale, et in fine la croissance des structures de cloquage. De récentes observations expérimentales ont en effet mis en évidence des croissances de cloques à contraintes/chargement mécanique fixe, qui laissent supposer une variation significative de l’adhésion au cours du temps. A titre d’exemple est présentée ci-dessous en Figure 1 une cloque circulaire (Au d’épaisseur 60 nm sur wafer de Si) présentant de nombreux plis plastiques successifs, signature de sa cinétique de croissance. L’objectif à terme est ici de disposer d’une méthodologie expérimentale par caractérisation fine des structures de cloquage, qui puisse permettre de quantifier la ténacité de l’interface film/substrat. Figure 1 : Croissance successive d’une cloque circulaire observée par AFM sur un film d’Au d’épaisseur 60 nm déposé sur wafer de Si. (a) 3 jours, (b) 7 jours, (c) 14 jours et (d) 21 jours après dépôt. En pratique. La mission doctorale présentera à la fois un volet expérimental et un volet numérique. L’Institut Pprime sera en charge de ce volet expérimental : il conviendra en particulier de caractériser l’évolution de structures de cloquage sous chargement mécanique et/ou thermique, sous environnement variable (taux d’humidité contrôlé, atmosphère chimiquement neutre…) et en fonction du temps. Le volet numérique sera porté par Guillaume Parry (MdC HdR, Université de Grenoble-Alpes), chercheur au sein du laboratoire SIMaP (Sciences et Ingénierie, Matériaux, Procédés), UMR 5266 CNRS, INC. Il comprendra en particulier la réalisation de simulations numériques par éléments finis (sous code Abaqus, tel qu’illustré en Figure 2) permettant de mieux appréhender les mécanismes mis en jeu 3 (intégration d’un modèle de zones cohésives, adhésion variable dans le temps, comportement élasto-plastique). Deux types de films minces métalliques (quelques dizaines à centaines de nm d’épaisseur) seront à l’étude, présentant soit un comportement élasto-plastique (comme le cas de l’Au ci- dessus), soit un comportement purement élastique (Ni, W…).