In situ characterization at different scales of nanotwins’ evolutions in single crystal gold thin film under tensile tests
Caractérisation in situ et à différentes échelles de l'évolution sous traction de nanomacles dans un film d'or monocristallin
Résumé
Thin Films are frequently used in microelectronics, and plastic phenomena created during deformation can alter their properties. This is why there are still very much studied. Thin films have mechanical behavior different than bulk materials because of their nanometric thickness. This small dimension gives to the surface of the studied objects, a significant impact on the plasticity. This work focuses on plasticity evolution inside of a single crystal gold thin films during mechanical test, with a stronger focus on the phenomena related to twins. At first we developed a process to in situ evaluate the evolution of the twinned volume in a sample from pole figures during a biaxial tensile test. This experiment takes place on the DiffAbs beamline of the SOLEIL synchrotron facility. This beamline has a biaxial tensile device that allows to in situ deform a polyimide substrate that transmits the applied deformation to the studied thin films. We compared different tensile orientations to see the different possible evolutions related to the different Schmid factors. We observed a strong anisotropic twinning behavior related to the tensile direction. Moreover we observed an untwinning effect during the unloading of the tensile test. In a second time, we studied our samples during in situ uniaxial tensile tests in a transmission electron microscope at CEMES at Toulouse. This second experiment gave us the opportunity to study our sample at a crystallographic defect scale. We observed the evolution of dislocations and twins related to the tensile direction. Thin films are self-supporting during these tests that create strong perturbation as crack for example. Then we compared the results of the two experiment to submit an explanation to observations and to separate material dependent phenomena from phenomena dependent of the experimental set up.
Les films minces métalliques sont couramment utilisés en électronique, et les phénomènes plastiques générés lors de déformations peuvent en altérer les propriétés. C’est pourquoi ils sont encore très étudiés. Les films minces possèdent des caractéristiques et des évolutions sous contrainte qui diffèrent des matériaux massifs à cause de leurs épaisseurs nanométriques. Cette faible dimension donne aux surfaces des objets étudiés, un rôle significatif sur la plasticité. Ces travaux se concentrent sur l’évolution de la plasticité au sein de films minces d’or monocristallin lors de sollicitations mécaniques, en portant un intérêt tout particulier aux phénomènes liés aux macles. Dans un premier temps nous avons développé une procédure pour évaluer in situ l’évolution du volume maclé dans un échantillon à partir de figures de pôles au cours d’essais de traction biaxiale. Cette expérience prend place sur la ligne de lumière DiffAbs du synchrotron SOLEIL. Cette ligne de lumière possède un dispositif mécanique de traction biaxiale permettant de déformer in situ un substrat de polyimide qui transmet la déformation appliquée aux films minces étudiés. Nous avons ainsi comparé différentes orientations de sollicitations pour observer les différentes évolutions possibles en fonction des facteurs de Schmid mis en jeu. Nous observons ainsi une forte anisotropie du comportement des macles en fonction de la direction de traction. De plus dans le cas où l’on observe un fort maclage lors de la traction, on observe du démaclage à la décharge du substrat. Dans un second temps nous avons étudié nos échantillons au cours d’essais de traction uniaxiale in situ au sein d’un microscope électronique en transmission au CEMES à Toulouse. Cette seconde expérience nous offre la possibilité d’étudier nos échantillons à l’échelle des défauts cristallins, et de visualiser l’évolution des dislocations et des macles dans nos échantillons en fonction de la direction de sollicitation. Lors de ces essais les films minces sont autoportés ce qui crée de fortes perturbations générées par exemple par des fissures. Nous avons ensuite comparé les résultats des deux expériences pour proposer une interprétation aux observations et pour différentier les phénomènes intrinsèques au matériau des phénomènes liés aux dispositifs expérimentaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)