Soutenance mémoire
En raison du développement de l’industrie, le souci économique d’accéder à des quantités de matière ou à des coûts pertinents a excité le développement des technologies permettant de produire des matériaux microcristallins et nanocristallins par plusieurs méthodes d’élaboration. C’est en cela que les processus de dépôts en phase vapeur, mettant en jeu des méthodes physiques ou chimiques (PVD ou CVD), sont actuellement employés pour produire des couches minces (ou des films) métalliques pour des industries de construction mécanique et électronique. L’aluminium et ses alliages avec leur faible densité et leur facilité d’utilisation occupent une place significative dans l’industrie automobile, l’aéronautique, l’électronique ainsi que l’agro-alimentaire. Néanmoins, l’élaboration de certains alliages par des processus à des températures relativement basses peut engendrer la formation de structures métastables. Dans ce contexte, une grande variété de phases stables et métastables, qui comprennent des solutions solides, phases intermétalliques, phases quasi-cristallines icosaédriques et décagonales, ainsi que des structures amorphes ont été obtenues dans les alliages Al-Mn préparés par divers méthodes. On cite entre autre, la pulvérisation (sputtering), le dépôt assisté par canon à ions (ion-beam mixing), l’électrodéposition et autres techniques. Plusieurs études montrent que ces alliages présentent des caractéristiques structurales et physiques tout à fait particulières. Dans le cadre de cette thèse, deux principaux objectifs ont été suivis. D’une part, l’étude multi-échelles (structurale, microstructurale et physico-chimique) des systèmes binaires Al-Mn élaborés par pulvérisation cathodique magnétron (PVD) en fonction de leur teneur en manganèse. D’autre part, l’étude du retour à l’équilibre thermodynamique de ces couches minces et leur stabilité par un poste traitement thermique, de façon à mieux comprendre leur comportement en service à des températures plus au moins élevées.
Revue bibliographique
Depuis la fin du 20ème siècle le développement de l’industrie moderne a favorisé l’exploitation des technologies basées sur les propriétés spécifiques des couches minces. Un progrès qui a permis la mise en évidence de nouveaux phénomènes liés à la miniaturisation où le développement de nouveaux matériaux dont la réalisation ne pourrait se faire sans cette technologie. Les couches minces sont une des technologies de l’avenir pour plusieurs domaines surtout en micro et nanoélectronique. Leurs avantages sont entre autres un coût de fabrication moindre et des possibilités de dépôt sur différents types de substrat (rigide, flexible…). Le principal objectif pour lequel sont développées les couches minces est leurs conférer des propriétés fonctionnelles que le substrat ne peut pas posséder. Pour cela nous porterons, dans ce chapitre, un grand intérêt aux couches minces (leurs définitions, domaines d’application, mécanismes de croissance et les techniques de dépôt….), afin d’apporter une contribution pour comprendre les phénomènes d’élaboration de couches et leurs caractérisations microstructurales.
Définition de couche mince
Une couche mince (thin film), d’un matériau donné, est un revêtement dont l’une des dimensions qu’on appelle l’épaisseur a été fortement réduite et que l’on exprimera habituellement en nanomètres (nm) ou en angströms (Å) [1]. La structure des films déposés peut être mono ou multicouches avec des épaisseurs pouvant varier d’un plan atomique (quelques Angströms) à plusieurs centaines de micromètres. La très faible distance entre les deux surfaces-limites, explique les modifications apportées de la majorité des propriétés physiques de ces revêtements. Les matériaux élaborés sous forme de couches minces possèdent des propriétés physico-chimiques qui différent en de nombreux points de celles des matériaux massifs [2, 3].
Types de couches minces
Les couches minces peuvent être classées en fonction de la taille des espèces qui les constituent, mais aussi selon le nombre de couches (monocouche ou multicouches), selon le nombre de composés ou de phases (multi-phases), selon la composition des phases et selon que les composés sont uniformes ou non. Dans ce qui suit, nous présenterons les définitions et les classifications utilisées pour les couches minces en fonction de la taille des espèces. On distingue trois types de dépôts :
i) Dépôts massifs : sont constitués par des particules d’une taille supérieure à cent micromètres. Ils se caractérisent par une grande quantité de matière déposée en une seule fois. Leurs applications bien connues sont la peinture, l’impression, la projection thermique ou le soudage [4].
ii) Dépôts granulaires : sont constitués par des espèces dont les dimensions varient entre quelques dizaines et une centaine de micromètres [4]. L’industrie concernée par ce type de dépôts est l’aéronautique ainsi que l’industrie automobile.
iii) Dépôts atomistiques : sont les films minces dont l’épaisseur est inférieure à 10µm. Ils sont constitués par des molécules, des atomes ou des ions où leurs source est un matériau appelé cible qui peut être un solide, un liquide ou un gaz. La cible peut prendre la configuration d’une poudre, un fil ou un barreau, c’est sa composition chimique et la distribution interne des éléments qui déterminent et influencent la composition du dépôt [4]. Ces dépôts sont essentiellement employés dans l’industrie électronique, mécanique et les domaines esthétiques. Leurs propriétés sont influencées par les propriétés physico-chimiques du matériau de dépôt, mais aussi par d’autres conditions technologiques et d’exploitation [5].
Propriétés des couches minces
L’étude des matériaux à l’état massif néglige le rôle des limites pendant l’analyse des propriétés physiques, tandis que dans une couche mince, ce sont au contraire les effets liés aux très faibles distances entre les deux surfaces limites qui sont prépondérants de la majorité des propriétés physiques. Pour un matériau donné, plus l’épaisseur est faible, plus cet effet de bi-dimensionnalité est exacerbé. Inversement, lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépasse un certain seuil, l’effet de l’épaisseur devient minime et le matériau retrouve les propriétés bien connues du matériau massif [2, 3]. La seconde caractéristique essentielle d’une couche mince est que, quelle que soit la procédure utilisée pour sa fabrication, elle est toujours solidaire d’un support sur lequel elle est déposée. En conséquence, le support influence très fortement les propriétés structurales et morphologiques de la couche qui y est déposée [6]. Par ailleurs, les propriétés spécifiques des films minces nanométriques sont multiples : physiques, magnétiques, mécaniques, optiques, électriques, chimiques, thermiques et tribologiques. Ces propriétés spécifiques découlent notamment de deux caractéristiques des nano-objets, conséquences de leur très faible taille : la quasi-absence de défauts et le fort rapport entre les dimensions de surface et de volume. Les propriétés physiques originales des couches minces sont différentes par rapport aux matériaux massifs. Les propriétés des couches minces vont dépendre notamment de deux caractéristiques essentielles liées aux conditions de dépôt : la microstructure et les contraintes mécaniques. Ainsi, le changement des propriétés magnétiques d’une couche mince par rapport au matériau massif est lié à la forme, à la taille des grains, à la présence de joints, à leur composition, à la distribution des cations mais aussi aux contraintes. Les champs coercitifs peuvent en effet être plus forts à cause du phénomène de magnétostriction lié à la présence d’un état contraint. D’autre part, les propriétés électriques sont liées majoritairement à la densité de la couche et aux caractéristiques des zones inter granulaires. Plus le revêtement est poreux plus la résistivité aura tendance à être élevée .
Domaines d’application
La technologie des couches minces a connu un développement accéléré de leurs applications, une évolution qui provient essentiellement du :
– besoin de la miniaturisation des dispositifs ;
– l’utilisation économique des matériaux en rapport avec les propriétés physiques ;
– la simplicité des technologies mise en œuvre pour leur réalisation (élaboration facile, peu coûteuse).
Ainsi, le but d’innover et de créer de nouveaux matériaux présentant de meilleures propriétés, explique la variété de la nature des matériaux produits en couches minces qui ne fait que se multiplier : isolants, semi-conducteurs, carbures, polymères, supraconducteurs, leurs applications s’étendant sur plusieurs disciplines : microélectronique, optique, mécanique, chimie, biomédical… [8]. Aujourd’hui, les couches minces sont utilisées dans de nombreux domaines tels que [9, 10]:
– optique : filtres optiques, guides optiques, revêtements réflecteurs, couches antireflets, photo-détection …
– électronique : conductivité, contacts, composants solides actifs et passifs, isolants, supraconducteurs, interconnexions…
– magnétique : enregistrement magnétique (stockage de grande densité), dispositifs de sécurité, capteurs (comme les capteurs de flux de chaleur, les capteurs de radiation, les capteurs de pression, les capteurs de puissance électrique, les thermocouples …
– mécanique : revêtements-tribologiques…
– chimique : résistance à la corrosion, revêtements catalytiques, couches protectrices, capteurs chimiques …;
– décorative : La décoration, la bijouterie (montres, lunettes, bijoux…) et la coutellerie ont été séduites par ces nouveaux matériaux et plus récemment Balzers® a ainsi réalisé des bracelets et des boîtiers de montres recouverts de nitrure de titane : aussi beaux que de l’or, mais moins chers et beaucoup plus résistants aux rayures !.Innovatique® a également revêtu des lames de couteau pour Téfal® avec du carbure de tungstène dopé au carbone .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Revue bibliographique
I. Introduction
II. Définition de couche mince
II.1. Types de couches minces
III. Proprietés des couches minces
IV. Domaines d’applications
V. Etapes pour déposer une couche mince
IV.1. Source
IV.2. Transport
IV.3. Condensation
IV.3. Analyse
VI. Méthodes de dépôts des revêtements et de couches minces métalliques
VI.1. Déposition chimique et physique en phase vapeur
VI.1.1. Dépôt chimique en phase vapeur CVD
i. CVD thermique
ii. Dépôt assisté plasma (PECVD)
iii. Dépôt CVD à radiation laser (LCVD)
iv. Dépôt à basse pression (LPCVD)
VI.1.2. Dépôts physique en phase vapeur
i. L’évaporation
ii. Pulvérisation par bombardement ionique
iii. Pulvérisation cathodique
iv. Pulvérisation diode
v. Pulvérisation triode
vi. Pulvérisation magnétron
VII. Revue bibliographique sur le système étudié: les revêtements à base d’aluminium
VII.1.Généralités sur l’aluminium et ses alliages à l’état massif
VII.2. Les alliages d’aluminium en couche mince
VII.2.1. Propriétés structurales
i. Revêtements élaborés par PVD
VII.2.2. Propriétés mécaniques
VII.2.3. Propriétés électriques
VII.2.4. Propriétés magnétiques
VII.2.5. Propriétés électrochimiques
VII.3. Les couches minces d’alliages binaires Al- Mn
VII.3.1. Le système Al-Mn massif
VII.3.2. Le diagramme d’équilibre Al-Mn
i. Les intermétalliques (Al, Mn)
ii. Les phases métastables (Al, Mn)
VII.3.3. Le système Al-Mn en couche mince
VII.4. Formation de phases métastables dans les couches minces Al-Mn
VII.4.1. Effet des paramètres d’élaboration sur la formation des phases métastables Al-Mn
VII.5. Le retour à l’équilibre des phases métastables
VII.5.1. Le retour à l’équilibre des phases métastables du système binaire Al-Mn
VII.5.2. Le retour à l’équilibre des phases métastables du système ternaire Al-Mn -X
VIII. Conclusion
Objectif du travail
Références chapitre I
Chapitre 2: Elaboration des couches minces, méthodes de caractérisation employées et résultats
I. Introduction
Partie I : Elaboration des couchs minces Al1-x-Mnx
I.1. Introduction
I.2. Principe de la pulvériasation cathodique magnétron
I. 2.1. Présentation du dispositif expérimental
I.2.2. Conditions de synthèse
I.3. Traitement thermique des échantillons
I.3.1. Recuit isotherme
I.4. Conclusion
Partie II: Caractérisations morphologique et chimique des couches minces Al1-x-Mnx brutes d’élaboration
II.1. Introduction
II.2. Techniques de caractérisation : Microscopie electronique à Balayage (MEB)
II.3. Résultats et discussion
II.4. Composition chimique: analyse par Spectroscopie dispersive en énergie (EDS)
II.5. Résultats et discussion
II.5. Conclusion
Partie III : Caractérisation microstructurale des couches minces Al1-xMnx
III.1. Introduction
III.2. Technique de caractérisation : Diffraction des Rayons X (DRX)
III.2.1. La diffraction des rayons X à incidence rasante
III.3. Méthode de fetting : Méthode de Rietveld
III.3.1. Choix du programme
III..4. Résultats et discussion
III.4.1. Affinement de la structure : la méthode de Rietveld
III.4.2. Paramètres microstructuraux
i. Taille moyenne des cristallites
ii. Microcontraintes et proportions relatives des phases
III.5. Conclusion
Partie IV : Caractériasation électrique des couches minces Al1-xMnx
IV.1 Introduction
IV.2 Technique de caractérisation : Mesure de l’effet Hall
IV.2.1. Technique de Van-der-Pauw
IV.2.2. Technique de mesures Hall
IV.3. Résultats et discussion
IV.4. Conclusion
Partie V : Caractériasation magnétique des couches minces Al1-xMnx
V.1. Introduction
V.2. Technique de caractérisation : Magnétomètre à échantillon vibrant (VSM)
V.3. Résultats et discussion
V.4. Conclusion
Références chapitre II
Conclusion générale
