Influence of the substrate on the buckling pheneomenon of coated materials
Influence du substrat sur le phénomène de cloquage de matériaux revêtus
Résumé
This work is concerned with the problem of thin film buckling from its substrate. Experiments are carried out which consist in studying, with the help of an atomic force microscope, the delamination and buckling of strained thin films deposited on substrates. The influence of substrate elasticity has been thus characterized and compared with finite element simulations. The main result is that the buckle shape of the film and the critical stress for buckling are modified by the substrate compliance. The main part of the report focus on the effect of crystalline substrate plasticity on the mechanical behaviour of the films. The plastic deformation of the substrate is induced by compressive tests, realized in situ under an atomic force microscope. A localization of the buckling structures is evidenced near the step structures created by the dislocations pile-up at the film/substrate interface. To explain this phenomenon, an analytical model is then developed in the framework of the Föppl-von Karman theory of thin plates and the different equilibrium shapes are characterized, before and after buckling. A new critical stress for buckling is also determined as a function of dislocation density. Finally, the influence of the crystal orientation is studied and a critical angle for dislocation emergence, above which buckling cannot occur on step structures, is determined. The last chapter is dedicated to the study of the influence of the substrate plasticity on the adhesion properties. A clever method for adhesion-energy measurement from the morphological buckle parameters is then elaborated.
Ce travail s’intéresse au phénomène de décollement des films minces déposés sur substrats. Des expériences de microscopie à force atomique sont réalisées, afin d’étudier le délaminage et le cloquage de films sous contraintes. L’influence de l’élasticité du substrat a ainsi été caractérisée et comparée à des simulations par éléments finis. Les principales modifications induites concernent la forme des cloques ainsi que la contrainte critique de cloquage. La partie centrale de cette étude s’intéresse à l’effet de la plasticité de substrats cristallins sur le comportement mécanique des films. Les déformations plastiques du substrat sont induites lors de tests de compression, réalisés in situ sous un microscope à force atomique. Une localisation des structures de cloquage est observée au niveau des marches créées par l’empilement des dislocations à l’interface film/substrat. Afin d’expliquer ce phénomène, un modèle analytique est réalisé dans le cadre de la théorie des plaques minces de Föppl et von Karman; les différentes formes d’équilibre du film sont étudiées, avant et après cloquage. Une nouvelle contrainte critique de cloquage dépendant de la densité de dislocations est également déterminée. Enfin, l’influence de l’orientation cristallographique du substrat est étudiée et un angle critique d’émergence des dislocations, à partir duquel le cloquage n’est plus favorisé sur les marches, est déterminé. Le dernier chapitre est consacré à l’étude de l’influence de la plasticité du substrat sur les propriétés d’adhésion. Une méthode astucieuse pour mesurer l’énergie d’adhésion film/substrat à partir des paramètres morphologiques des structures de cloquage est alors élaborée.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)