De la recherche fondamentale au partenariat industriel

COMI

Propriétés Mécaniques des Matériaux en Couches Minces (COMI)

Présentation

    Thématique(s) et objectifs : Le thème « Propriétés Mécaniques des Matériaux en Couches Minces » a vocation à étudier le comportement mécanique, linéaire ou non, de matériaux déposés en couches minces, qu’ils soient utilisés pour la réalisation de composants MEMS ou comme composants d’assemblage plus macroscopiques. Pour cela plusieurs techniques expérimentales majeures ont été développées, d’autres sont en cours de développement et l’adjonction de mesures de champs locaux rend ces méthodes encore plus prédictives et moins sujettes au questionnement. Le recoupement de celles-ci permet également d’obtenir un degré beaucoup plus élevé de confiance dans les résultats.

    Spécificités et points forts :
  • Spectre de compétences large et structurant au sein de l’Institut FEMTO-ST.
  • Développement de méthodes de caractérisation mécanique à l’échelle micrométrique et des modèles de comportement adaptés.
  • Modélisation et exploitation des couplages d’origine surfacique pour la conception de capteurs et d’actionneurs.
  • Modélisation numérique et analyse inverse.
  • Tenue mécanique, perméation et vieillissement de revêtements en environnement hydrogène.

    • Chercheurs permanents : Fabien AMIOT, David CHAPELLE, Patrick DELOBELLE, Philippe NARDIN, Fabrice RICHARD

Mots clés

Propriétés mécaniques, Films minces, Couplage multi-physique, Test de Bulging,
Déflexion ponctuelle, AFM (Microscope à Force Atomique), Nano-indentation, Déflexion de micropoutres, Mesures de champs, Identification inverse, mesures
de perméation de gaz.

Bilan de l'activité scientifique 06 – 09

    Résultats marquants du quadriennal :

  • Développement d’outils théoriques pour l’utilisation de champs d’origine mécanique ou d’origine ‘multi-physique’ en interférométrie (J. of Physics D, Applied Physics, 2007).
  • Développement d’outils expérimentaux adaptés et mise en évidence expérimentale du caractère hétérogène du couplage électro-élastique sur des structures de dimensions micrométriques (Sensors & Actuators, 2009).
  • Développement d’un cadre de modélisation simplifiée pour la modélisation des couplages mécanique-environnement surfaciques (J. of Mech. Mat. and Struct., 2007).
  • Comparaison de techniques expérimentales innovantes (gonflement de membrane, déflexion ponctuelle de membrane avec une pointe AFM, nano-indentation, analyse harmonique) pour la mesure des contraintes résiduelles et du module bi-axial dans les films ultra minces (<100 nm) (Eur. Phys J. Appl. Phys., 2009).
  • Comparaison de méthodes expérimentales dynamiques (Microscopie à pointe vibrante (SMM), nano-indentation vibratoire, analyse dynamique vibratoire (DMA)) pour la détermination des propriétés viscoélastiques des polymères (Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2009).
  • Caractérisation mécanique de matériaux actifs sous forme de films minces pour des applications du type MEMS (alliage à mémoire de forme magnétique (Thin Solid Films, 2009), matériaux piézo et ferro-électriques (Sensors & Actuators, 2008,Thin Solid Films, 2006,…).
  • Dans le cadre de l’étude des matériaux bimorphes (substrat film mince), nous avons mis au point un équipement expérimental dédié à la mesure de la perméation en environnement hydrogène. Ces mesures sont corrélées à des simulations pour l’identification des paramètres matériaux.

Projet scientifique

    Enjeux sociétaux : Les affections allergiques se développent rapidement et au cours des 15 dernières années leur occurrence a doublé pour toucher entre 15 et 30% de la population des pays développés. L’étude de ces réactions allergiques nécessite donc l’étude de systèmes complexes dans lesquels plusieurs interactions peuvent interférer pour atténuer ou renforcer la réaction allergique. Par ailleurs, la diffusion à grande échelle de composants issus des technologies MEMS requiert des niveaux de reproductibilité inédits quant aux propriétés mécaniques des matériaux mis en jeu. Cependant, les procédés d’obtention des matériaux utilisés pour la fabrication de composants mécaniques de dimensions micrométriques sont difficiles à reproduire, induisant une dispersion des propriétés mécaniques des structures obtenues. Enfin, pour répondre aux grands défis énergétiques et environnementaux de l’humanité, le vecteur hydrogène est un candidat au potentiel le plus prometteur. Toutefois, son usage rationnel exige le développement de nouveaux matériaux. En effet, de sa production, en passant par son stockage, il faut trouver des matériaux économiquement viables pour une utilisation grand public.

    Enjeux scientifiques : Pour la détection de molécules dans les milieux biologiques, l’enjeu est d’être capable de mesurer des énergies d’interaction faible dans les mélanges complexes. Cela signifie être capable de réaliser une mesure fine des champs de déplacements d’objets micromécaniques et être capable d’identifier à partir de ceux-ci les paramètres de comportement décrivant le couplage mis en jeu. Concernant la caractérisation des matériaux en couches minces (passifs ou actifs), un premier enjeu majeur est d’être capable de comprendre les relations entre procédés d’obtention et propriétés mécaniques finales déterminées à l’aide de techniques fiables pouvant être redondantes ; le second est de quantifier les effets des paramètres environnementaux en service sur les propriétés d’usage des matériaux utilisés. Enfin, pour ce qui concerne le vecteur hydrogène pour l’énergie, il s’agit d’identifier des traitements sur substrat polymère, par exemple des dépôts de couches minces offrant un bon compromis entre réduction de la perméation et tenue mécanique en environnements sévères d’hydrogène.

    Objectifs de recherche envisagées : Nous avons identifié 3 objectifs qu'il serait intéressant d’atteindre pendant la prochaine période quadriennale.

  • Objectif 1 : Développer les outils de caractérisation mécanique adaptés à l’échelle micrométrique et les appliquer aux nouveaux matériaux dans leur environnement d’utilisation.
    • Cela nécessite à la fois des compétences en instrumentation, en micro-fabrication et en mécanique des matériaux, conditions rarement réunis au sein d’une même équipe.

    Atouts, opportunité, et positionnement : On dispose d’un spectre de compétences large et bénéficie de celles en instrumentation présentes au sein de l’Institut FEMTO-ST (MN2S et DOPMD) au travers du projet transverse Instrumentation pour la caractérisation mécanique des matériaux à l’échelle micrométrique. Nous bénéficions de la proximité de la centrale de technologie NIMENTO.

  • Objectif 2 : Développer les modèles de description des couplages mécanique-environnement à partir des résultats expérimentaux.

    • La validité des modèles développés à ce jour doit être vérifiée et/ou améliorée expérimentalement pour une grande classe d’interactions chimiques et notamment celles intervenant dans les mélanges complexes. L’apport des méthodes numériques, en autre l’analyse inverse en éléments finis, permet souvent de recaler quantitativement les modèles théoriques et prévoir le comportement de matériaux à gradients évolutifs

    Atouts, opportunité, et positionnement : La collaborations avec l’institut Langevin (CNRS-UMR7587/ ESPCI Paris Tech) et PECSA (CNRS-UMR7195/ ESPCI Paris Tech.) apportent les compétences nécessaires pour la fonctionnalisation localisée de surfaces et le suivi de leur composition chimique in-situ (Pas d’équivalent à ce jour). Bonne maîtrise des codes aux éléments finis pour l’implémentation numérique des techniques d’analyse inverse.

  • Objectif 3 : Réduire et contrôler le régime de perméation de l’hydrogène tout en conservant une bonne adhésion des couches minces sur le substrat polymère.
    • Nous visons une réduction d’un facteur 20 à 30 de la cinétique de perméation en comparaison avec celle du polymère seul. De plus, nous cherchons à caractériser l’énergie d’adhésion des couches, puis contrôler son évolution au cours du temps en fonction des sollicitations extérieures.

    Atouts, opportunité, et positionnement : Des rapprochements sont à envisager, particulièrement dans le cadre du PRES, avec le laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) et plus précisément avec le Département Interface et Réactivité dans les Matériaux (IRM). Nous profitons également de la proximité de la centrale de technologie NIMENTO.

Contact

Patrick DELOBELLE
03 81 66 60 13
patrick.delobelle@univ-fcomte.fr

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