Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Défaut interfacial“

Les revêtements d'hydrogel sont des réseaux de polymères transparents et hydrophiles capables d’abosrber plusieurs fois leur épaisseur en eau. Cependant, les contraintes induites par le gonflement du film peuvent entraîner un décollement préjudiciable de l'hydrogel ce qui peut limiter l’utilisation pratique des ces revêtements. Dans cette étude, nous proposons de décrire les mécanismes de décollement de films minces d’hydrogel en fonction de leur densité de greffage à l'interface film/substrat. Le but est de pouvoir contrôler et prédire la dégradation des revêtements hydrogel pendant le gonflement ou sous des contraintes de contact. Dans ce but, nous avons développé une méthodologie permettant de mesurer l'initiation et la propagation de la délamination induite par le gonflement de films minces d’hydrogel à partir de défauts d'interface préexistants bien contrôlés.Des films minces d'hydrogel de poly(diméthylacrylamide) (PDMA) attachés à la surface sont préparés sur des plaquettes de silicium à partir de la réticulation et du greffage simultanés (CLAG) de chaînes polymères fonctionnalisées par la chimie click thiol-ène. Cette stratégie permet de faire varier l'épaisseur du film (0.1 - 2 µm) et de contrôler le taux de gonflement du réseau, ici fixé à 2, tout en assurant une densité de réticulation homogène. Afin de faire varier la résistance de l'interface film/substrat, le substrat en silicium est greffé avec des mélanges de mercaptosilane (réactif) et de propylsilane (inerte) dans différentes proportions avant le dépôt du film mince. Alors que le mercaptosilane est capable de former des liaisons covalentes avec le réseau PDMA, le propylsilane ne réagit pas, ce qui permet de contrôler le taux de greffage du film mince d’hydrogel sur le substrat. Nous caractérisons la fraction de surface de mercaptosilane ainsi obtenue par des analyses XPS et TOF-SIMS. Par ailleurs, toujours à l’interface subtrat/film, des défauts linéaires bien contrôlés ayant une faible adhérence (largeur entre 10 et 100 µm) sont créés sur le substrat en passivant de façon localisée les groupes thiol réactifs par microlithographie. Ces défauts nucléent le décollement des films de façon bien localisée, ce qui permet ensuite de suivre la propagation de la décohésion à partir de ces défauts.Le décollement du film induit par le gonflement est réalisé sous un flux de vapeur constant assurant la saturation du film en eau. En observant le décollement progressif du film à partir des défauts linéaires préexistants, nous retrouvons un motif d’instabilité classique dit de fil de téléphone et nous montrons que le décollement résulte de contraintes de gonflement localisées proche de la ligne de décollement. Nous mesurons la vitesse de propagation du décollement dans la zone où le film est greffé sur le substrat et nous observons qu’elle augmente de deux ordres de grandeur lorsque la quantité de propylsilane dans le mélange de silanes réactifs passe de 0 à 90 %, c’est-à-dire lorsque le taux de greffage du film décroit. Un seuil d'épaisseur pour le décollement est également observé, les films pouvant se décoller étant d’autant plus minces que le taux de greffage du film ets faible. Les mesures de ce seuil sont discutées à partir d'un argument simple de mécanique de la rupture qui permet de rendre compte semi quantitativement de nos mesures
Hydrogel coatings are transparent and hydrophilic polymer networks that absorb a lot of water and can be suitable candidates for anti-mist coatings. However, swelling-induced stresses within the film can result in detrimental debonding of hydrogel and may fail. In this study, these debonding processes are investigated in the relation to the grafting density at the film/substrate interface, so as to control and predict the failure of the coatings during swelling or under contact stresses. For that purpose, we have developed a methodology consisting in monitoring the initiation and the propagation of swelling-induced delamination from well-controlled preexisting interface defects.Surface-attached poly(dimethylacrylamide) (PDMA) hydrogel thin films are prepared on silicon wafers from the simultaneous Cross-Linking And Grafting (CLAG) of functionalized polymer chains by thiol-ene click chemistry. This strategy allows to tune the film thickness (0.1-2 µm) while ensuring a homogeneous crosslinking density. In order to vary the strength of the film/substrate interface, the silicon wafer is grafted by mixing reactive mercaptosilane and unreactive propylsilane in various proportions prior to the formation of the hydrogel film. We characterize the mercaptosilane surface fraction thus obtained by XPS and TOF-SIMS analyses. Well-controlled line defects (width between 2 and 100 µm) are also created to nucleate delamination of the hydrogel from the substrate.Swelling-induced debonding of the film is achieved under a constant vapor flow ensuring water saturation. Optical observations show the progressive debonding of the film from the pre-existing line defects under the action of localized swelling stresses. We obtain a delamination pattern of typical so-called telephone cord instability. We measure the debonding propagation velocity where the hydrogel is grafted to the substrate. The debonding rate is found to decrease over two orders of magnitude when the amount of mercaptosilane in the reactive silane mixture is increased from 10% to 100% while increasing the covalent bonds between hydrogel and substrate. A threshold thickness for debonding is also observed. This threshold thickness increases with the amount of mercaptosilane used to graft the substrate. We derived quantitative values of the interface fracture energy from the measured thickness threshold with a simple fracture mechanics model

Le procédé de coextrusion permet de combiner à l’état fondu plusieurs couches de polymères dans une même structure. La compatibilisation des différentes couches est généralement réalisée à l’aide de liants qui réagissent in-situ. Bien que la compatibilisation puisse permettre de réduire ou même supprimer les instabilités macroscopiques d’écoulement, un nouveau défaut qualifié de « granité » peut apparaitre. Très peu de travaux de la littérature traitent les mécanismes gouvernant ce type de défaut. Les phénomènes mis en jeu sont particulièrement complexes puisqu’ils impliquent de façon couplée des phénomènes hydrodynamiques via l’écoulement, la rhéologie des différentes couches et des phénomènes physico-chimiques via la diffusion et la réaction chimique aux interfaces polymère/polymère. Ce mémoire s’articule autour d’une étude multi-échelle du rôle des copolymères aux interfaces sur la stabilité des écoulements stratifiés. L’étude a été réalisée à la fois sur des systèmes non-réactifs et réactifs constitués d’une couche barrière, le polyamide 6 (PA6) ou le poly(éthylène-co-alcool vinylique) (EVOH), avec un polypropylène (PP) ou un polypropylène greffé anhydride maléique (PP-g-AM). Le défaut de « granité » a été mis en évidence en coextrusion. Les paramètres procédé et matériaux influençant son apparition ont été identifiés. Il a pu être différencié des défauts et des instabilités interfaciales généralement rencontrées en coextrusion. Le phénomène de compatibilisation a également été étudié via les caractérisations morphologiques (MET, MEB, AFM) et physico-chimiques (XPS) aux interfaces. Le comportement rhéologique en cisaillement et élongation en viscoélasticité linéaire et non linéaire s’est révélé très sensible à l’effet la présence de copolymères aux interfaces et à leur architecture moléculaire. Cette étude a permis de déterminer les propriétés intrinsèques de l’interface/interphase en fonction du copolymère formé entre le liant et le PA6 ou l’EVOH. Elles ont pu être corrélées aux défauts macroscopiques observés dans les films multicouches coextrudés. La stabilité de ces écoulements stratifiés résulte d’un couplage de phénomènes qui se produisent à différentes échelles : nano (réaction de copolymérisation), micro (interphase) et macro (écoulement dans le procédé)
Several polymers can be combined in one multilayer structure by reactive coextrusion. Tie-layers are often used to compatibilize the adjacent layers and may reduce or suppress the interfacial instabilities and the defects in the multilayer coextrusion flow. However, an additional defect defined as the “grainy” defect can be observed. In the best of our knowledge, no study in literature has been devoted to understand its origin. The phenomena are quite complex due to the coupling of the effects of flow and the physico-chemical mechanisms at the interface. The aim of this work is to understand the relations between the instabilities and the defects encountered in multilayer coextruded films and the role of the copolymer formed in-situ between tie and barrier layers. Polyamide 6 (PA6) and ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) were used as the barrier layers sandwiched in a polypropylene (PP) with or without a polypropylene grafted maleic anhydride (PP-g-MA) as a tie-layer. The effect of the process parameters and the structure of the polymers on the generation of the “grainy” defect was assessed in correlation with the rheological and the physicochemical properties of the layers. These experiments have shown that this defect appeared mainly in the compatibilized EVOH system and could be distinguished from the usual coextrusion instabilities. The interfacial properties between tie and barrier layers were investigated. The characterization of the interfacial morphology by TEM and AFM highlighted an irregular and rough interface between PP-g-MA and EVOH while a flat interface was observed with PA6 and PP-g-MA. Step shear and startup elongation rheology was shown to be sensitive to the copolymer at the polymer/polymer interface. The study of the interfacial properties highlighted that the copolymer architecture significantly impacts the interfacial roughness and the rheology of the multilayer stuctures. Hence, relations between the relaxation process, the interfacial morphology and the copolymer architecture were established in correlation with the generation of the macroscopic grainy defect in coextrusion

La ségrégation désigne de manière générale des écarts locaux à la concentration nominale d'un soluté dans un solvant. On appelle ségrégation " intergranulaire " le regroupement d'atomes de solutés sur les joints de grains d'un matériau. Ce phénomène est à l'origine de formes d'endommagement bien connues dans les matériaux métalliques. Notre mémoire s'articule en deux parties principales. La première partie concerne le développement de nouvelles méthodes expérimentales pour la quantification de la ségrégation intergranulaire. La spectroscopie d'électrons Auger est la technique expérimentale de prédilection pour l'étude des ségrégations intergranulaires. Elle présente cependant plusieurs inconvénients : préparation d'échantillon difficile, rareté des instruments, aptitude limitée à l'analyse quantitative. Depuis 2006, nous avons développé deux méthodes alternatives à la spectroscopie Auger, que nous présentons en détail. La première technique est fondée sur la spectroscopie de photons X à dispersion de longueur d'onde, qu'on désigne par l'acronyme anglais WDS (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy). Elle peut être mise en œuvre dans un microscope électronique à balayage muni d'un détecteur WDS. La seconde méthode repose sur la spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS : Secondary Ion Mass Spectrometry). Pour clore cette première partie du manuscrit, nous présentons une étude de la ségrégation d'équilibre du soufre aux joints de grains du nickel. Nous y confrontons les résultats de trois méthodes de quantification (Auger, WDS et SIMS), pour souligner leur complémentarité. La deuxième partie du mémoire porte sur la ségrégation hors d'équilibre. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la ségrégation intergranulaire du soufre dans le nickel en cours de déformation plastique à chaud. La ségrégation intergranulaire du soufre au cours de la mise en forme à chaud des alliages de nickel est encore à l'heure actuelle à l'origine d'endommagements importants. En particulier, l'étape de réchauffage des lingots, avant laminage, conduit souvent à de la fissuration intergranulaire en surface et sous-surface. Il s'agit ici de comprendre la cinétique de ségrégation intergranulaire, en relation avec la température et la vitesse de déformation. Les résultats montrent un effet accélérateur fulgurant de la déformation plastique sur la cinétique de ségrégation. On observe de plus, de façon assez inattendue, une quasi-proportionnalité des vitesses de ségrégation et de déformation, et une quasi-indépendance à la température. Nous proposons deux interprétations de ces observations : l'une fondée sur les lacunes de déformation plastique qui accélèrent la diffusion du soluté, l'autre sur les dislocations, qui agissent à la fois comme " collecteurs " de soluté et comme courts-circuits de diffusion. Enfin, nous nous intéressons à l'effet accélérateur des anciens joints de grains austénitiques sur la ségrégation du phosphore à la surface d'un acier martensitique.

L'observation des structures atomiques des defauts dans les cristaux en microscopie electronique a transmission a haute resolution permet de tester l'applicabilite de la theorie de l'elasticite pour decrire l'etat de deformation a l'echelle de la maille cristalline. Un programme de calcul a ete concu pour construire les positions atomiques de n'importe quel cristal deforme par un large ensemble de defauts cristallins: 1) dislocations de matrice (al#2cu, superalliages a base nickel); 2) defauts periodiques appartenant aux structures interfaciales (joints de grains dans l'or, interface (gaas/gasb); 3) marches interfaciales. Pour traiter ces cas correctement, un nouveau concept appele dislocation de somigliana a ete utilise. Son application a ete satisfaisante pour cosi#2/si, ni#3al/ni#3nb et cfc/do#1#9. De plus, l'interpretation de certains defauts cristallins, observes a l'echelle atomique, montre les limites des theories actuelles, en particulier celle basee sur les reseaux de site en coincidence

Dans cette thèse, nous avons cherché à caractériser la ségrégation intergranulaire dans les métaux en cours de recuit et de déformation à chaud, dans le système modèle nickel – soufre. Deux méthodes de quantification ont été utilisées : la spectrométrie d'électrons Auger et l'analyse par dispersion de longueur d'onde des rayons X (WDX). Cette dernière a été adaptée de façon originale par notre équipe pour la quantification de monocouches sur un substrat. Le tracé de cinétiques de ségrégation en cours de recuit à 550 et 750°C a permis la mesure des coefficients de diffusion du soufre dans le nickel, respectivement de 2,9. 10-14 cm2. S-1 et 2,6. 10-12 cm2. S-1. Par l'étude d'échantillons recuits à différentes températures nous avons obtenu une enthalpie libre de ségrégation de 102 Kj. Mo1-1 et une concentration en soufre dans le joint de grain à saturation de 63,5 ng. Cm-2. Nous avons également étudié l'influence de la température (450 et 550°C) et de la vitesse de déformation (3,9. 10-5 s-1 et 3,8. 10-4 s-1) sur la ségrégation intergranulaire. En cours de compression, nous obtenons une cinétique jusqu'à 150 000 fois plus rapide que lors d'un recuit d'équilibre. Décupler la vitesse de déformation ne modifie pas l'évolution de la ségrégation en fonction de la déformation mais multiplie par 6,5. Enfin, dans les domaines étudiés, la vitesse de ségrégation est quasiment indépendante de la température. Un modèle calculant la concentration en lacunes en cours de déformation pour en déduire la diffusion du soufre permet de reproduire correctement nos mesures de ségrégation. Le phénomène de ségrégation intergranulaire accélérée du soufre dans le nickel en cours de déformation à chaud semble donc attribuable à la présence de lacunes en sursaturation
Equilibrium grain boundary segregation in metals has been widely studied, but not the non-equilibrium one. In this study, we aimed to characterize the segregation during annealing and during hot deformation in the nickel – sulphur system. Two different methods of quantification were used : Auger electron spectroscopy and wavelength dispersive X-ray spectroscopy (WDS). The latter was orignally adapted by our research group to the quantification of monolayers on a substrate. The diffusion coefficient of sulphur in nickel was measured at 550°C and 750° and we obtained respectively 2,9 10-14 cm2. S-1 and 2,6 10-12 cm2. S-1. Measurements on samples annealed at different temperatures led to a free energy of segregation of 102. Kj. Mol-1 and a concentration of sulphur in the grain boundary of 63,5 ng. Cm-2 when satured. We also investigated the influence of the temperature (450 and 550°C) and the deformation rate (3. 9 10-5 s-1 and 3. 8 10-4 s-1) on the interface segregation. During hot compression, we obtained a segregation up to 150 000 times faster compared to simple annealing at the same temperature. Multiplying the deformation rate by ten leads to a similar deformation-dependence of the segregation but a time-dependence 6,5 times as fast. In the investigated ranges of temperature and deformation rate, the segregation rate is nearly independent of the temperature. The segregation kinetics during hot deformation was satisfactorily modelled by taking account of the effect of the deformation-induced vacancies on the solute diffusion coefficient. The phenomenon of accelerated sulphur grain boundary segregation in nickel can then be attributed to the excess vacancies

Ce mémoire porte sur la caractérisation des défauts dans les isolants de transistors MOS, soit conventionnels, c'est à dire avec Si02 seul, soit avec Hf O2 comme oxyde de grille, en utilisant la technique de pompage de charges. Concernant les dispositifs avec Si02, il s'est agi de caractériser les défauts de l'interface Si/Si02 dans les transistors complètement « processés », défauts dont la nature était inconnue jusqu'à récemment, et plus précisément de vérifier un modèle dans lequel ces défauts sont des états donneurs et accepteurs, en fait ceux de centres PbO. Pour les transistors avec Hf O2, l'attention s'est portée sur la caractérisation et l'identification des défauts de la couche interfaciale de Si02 qui croît entre le substrat et le Hf 02. A l'interface avec le silicium, il s'agit à nouveau des centres PbO mais qui ont là des caractéristiques différentes de ceux rencontrés avec du Si02 massif. En direction du Hf O2, les défauts résultent probablement de lacunes d'oxygène (centres E')
The purpose of this work was the characterization of silicon/oxide interface traps in MOSFETs with pure Si02 or with Hf 02 as gate dielectric. The charge pumping technique has been used for this task. Concerning the devices with Si02, the work aimed at characterizing the Si/Si02 interface traps in fully processed MOSFETs, the nature of which was unknown until recently, and more precisely ta verify a model assuming donorlike and acceptorlike traps at the Si/Si02 interface, in fact, the acceptor and donor states of the PbO centers. For the transistors with Hf 02, attention focused on the characterization and identification of electrically active defects in the Si02 interfacial layer which grows between the Si substrate and the Hf 02 layer. At the interface with silicon, PbO centres are fa und again but with characteristics different From those observed with pure Si02. Towards Hf 02, the traps probably result From oxygen vacancy (E centres'. . . )

Dans cette thèse, nous avons cherché à caractériser la ségrégation intergranulaire dans les métaux en cours de recuit et de déformation à chaud, dans le système modèle nickel - soufre. Deux méthodes de quantification ont été utilisées : la spectrométrie d'électrons Auger et l'analyse par dispersion de longueur d'onde des rayons X (WDX). Cette dernière a été adaptée de façon originale par notre équipe pour la quantification de monocouches sur un substrat. Le tracé de cinétiques de ségrégation en cours de recuit à 550 et 750°C a permis la mesure des coefficients de diffusion du soufre dans le nickel, respectivement de 2,9.10-14 cm2.s-1 et 2,6.10-12 cm2.s-1. Par l'étude d'échantillons recuits à différentes températures nous avons obtenu une enthalpie libre de ségrégation de 102 kJ.mol-1 et une concentration en soufre dans le joint de grain à saturation de 63,5 ng.cm-2. Nous avons également étudié l'influence de la température (450 et 550°C) et de la vitesse de déformation (3,9.10-5 s-1 et 3,8.10-4 s-1) sur la ségrégation intergranulaire. En cours de compression, nous obtenons une cinétique jusqu'à 150 000 fois plus rapide que lors d'un recuit d'équilibre. Décupler la vitesse de déformation ne modifie pas l'évolution de la ségrégation en fonction de la déformation mais multiplie la cinétique par 6,5. Enfin, dans les domaines étudiés, la vitesse de ségrégation est quasiment indépendante de la température. Un modèle calculant la concentration en lacunes en cours de déformation pour en déduire la diffusion du soufre permet de reproduire correctement nos mesures de ségrégation. Le phénomène de ségrégation intergranulaire accélérée du soufre dans le nickel en cours de déformation à chaud semble donc attribuable à la présence de lacunes en sursaturation.

Ce travail de thèse a pour objet l'étude de l'influence de la plasticité sur le délaminage et le flambage de films minces déposés sur substrats. Il repose sur une approche mixte combinant des simulations atomistiques et des calculs analytiques basés sur la théorie des plaques minces de Föppl-von Kármán (FvK). Les simulations ont permis de caractériser, au cours de la formation d'une ride droite, un mécanisme de glissement localisé dans l'interface en pied de cloque entraînant une augmentation de la déflexion maximale de la ride. Ce mécanisme de glissement est également présent lorsque le délaminage piloté par le flambage du film mince est lui aussi observé. En l'intégrant dans le modèle élastique de FvK, la forme de la ride droite ainsi que le processus de délaminage ont ensuite été caractérisés. Le bon accord trouvé entre les simulations atomistiques et le modèle explique notamment le délaminage des cloques sans introduire de dépendance entre l'énergie d'adhésion et la mixité modale. L'initiation du cloquage à partir d'une marche d'interface créée par des dislocations venant du substrat a également été étudiée. Les simulations révèlent qu'avant flambage, le film se décolle à la fois sur le haut et sur le bas de la marche. Un mécanisme de glissement est là aussi identifié. Une déformation critique de flambage qui tient compte de ces phénomènes a été déterminée en modélisant le film mince sur la marche dans le formalisme de FvK. Les résultats des simulations couplés au modèle élastique expliquent, comme il est par ailleurs observé expérimentalement, pourquoi les cloques se forment préférentiellement au-dessus de défauts tels que des marches.

Cette thèse présente l'étude de la déstabilisation d'un film d'huile de silicone sous un plan horizontal poreux continûment alimenté.
On observe, en fonction du débit d'alimentation et de la viscosité, une grande richesse de comportements spatio-temporels à travers trois régimes de référence, constitués de gouttes, de colonnes ou de nappes: réseaux hexagonaux centrés, défauts topologiques oscillant ou pas, nappes spiralantes...
L'étude théorique de la déstabilisation d'une structure hexagonale menée dans cette thèse, permet de prédire tous les vecteurs d'onde possibles de l'instabilité secondaire, en particulier le mode de doublement de période observé dans l'expérience.
L'étude de la transition au chaos spatio-temporel par intermittences, à partir du régime hexagonal et stationnaire de colonnes, est également menée. Selon la viscosité utilisée, la transition est du premier ou du deuxième ordre au sens des systèmes thermodynamiques.