Croissance de films minces métalliques complexes : expériences et simulations
Résumé
Jusqu'aux années 70 la conception d'alliages métalliques était basée sur l'obtention de phases cristallines. La diffusion atomique était favorisée dans le but de synthétiser des composés intermétalliques ou d'induire la précipitation d'une phase donnée dans une matrice. Le mélange d'un grand nombre d'éléments métalliques n'était pas recherché car il menait à la formation de phases intermétalliques complexes souvent fragiles. Dans les années 80 et 90 l'aptitude de certains métaux à s'amorphiser a été étudiée et des familles d'alliages ayant une grande facilité à stabiliser des phases amorphes ont été mises en évidence. Ce type d'alliages contient un élément majoritaire et quelques éléments minoritaires ajoutés pour favoriser une propriété donnée. Ces verres métalliques possèdent des propriétés très intéressantes : une grande dureté et une limite élastique élevée, une bonne résistance à la corrosion et ils sont conducteurs électriques et thermiques. Leur principal désavantage est leur température de recristallisation relativement basse (autour de 300°C) au-delà de laquelle ils perdent une partie de leurs propriétés. Plus récemment Yeh et al. a proposé une nouvelle famille d'alliages, appelés alliages à " haute entropie ", ils contiennent de 5 à 13 éléments dans des concentrations allant de 5% à 35%, et sont stables jusqu'à environ 1000°C. A cause de leur entropie de mélange élevée, des phases peu ordonnées, comme des solutions solides, sont stabilisées, ce qui leur confère des propriétés exceptionnelles. Depuis quelques années les propriétés de ces alliages sous forme de couches minces sont également étudiées. Dans le cas de méthodes de dépôt en phase vapeur, comme la pulvérisation magnétron, la difficulté n'est pas de stabiliser des phases peu ordonnées, mais de contrôler précisément la composition de ces alliages multi-élémentaires car elle détermine en grande partie les propriétés finales. Tous les travaux montrent qu'il existe une relation complexe entre composition chimique, structure et morphologie de surface. Dans cet exposé la problématique de la croissance de films métalliques multi-élémentaires sera abordée au travers d'études portant sur les verres métalliques et les alliages " haute entropie ". Les paramètres expérimentaux permettant de contrôler la composition et donc les structures seront mis en évidence. L'apport de la simulation, à toutes les étapes du procédé de dépôt par pulvérisation magnétron (pulvérisation, transport et dépôt) sera discuté. Plus particulièrement la croissance du film sera simulée grâce à la dynamique moléculaire. La morphologie, mais également la structure stabilisée (solution solide ou phase amorphe) peuvent être prédites de ce type de modélisation. Les exemples présentés permettront de mettre en évidence les paramètres clé de la croissance de ces films complexes et de mieux appréhender les mécanismes impliqués