Contraintes, microstructure et sollicitation sous irradiation aux ions de films minces élaborés par pulvérisation ionique : modélisation et application à l'étude des effets interfaciaux dans des multicouches métalliques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

Stress, microstructure and evolution under ion irradiation of thin films grown by ion beam sputtering: modelling and application to interfacial effects in metallic multilayers

Contraintes, microstructure et sollicitation sous irradiation aux ions de films minces élaborés par pulvérisation ionique : modélisation et application à l'étude des effets interfaciaux dans des multicouches métalliques

Résumé

We have investigated the formation of the interfacial chemical mixing in Mo/Ni multilayers, and particularly the influence of ballistic effects during the growth. For this purpose, hetero-epitaxial b.c.c./f.c.c. Mo(110)/Ni(111) multilayers were grown by two deposition methods: thermal evaporation and direct ion beam sputtering. As a preliminary, an accurate description of the stress state in pure sputtered Mo thin films was required. Microstructural and stress state analyses were essentially carried out by X-ray diffraction, and ion irradiation was used as a powerful tool to control the stress level.
We showed that thermal evaporated thin films exhibit a weak tensile growth stress (~ 0.6 GPa) that can be accounted for by the grain boundary relaxation model, whereas sputtered thin films develop large compressive growth stress (- 2 to - 4 GPa). This latter results from the bombardment of the growing film by the energetic particles involved during the sputtering process (atomic peening phenomenon), which induces the formation of defects in the layers, generating volume distortions. We thus developed a stress model that includes a hydrostatic stress component to account for these volume strains. This model allowed us to determine the “unstressed and free of defects lattice parameter” a0, solely linked to chemical effects.
For epitaxial Mo layers, it was possible to separate coherency stress from growth stress due to their distinct kinetic evolution during ion irradiation. Therefore, the stress analysis enabled us to determine the a0 values in Mo sub-layers of Mo/Ni superlattices. A tendency to the formation of an interfacial alloy is observed independently of the growth conditions, which suggests that thermodynamic forces favour the exchange mechanism. However, the extent of the intermixing effect is clearly enhanced by ballistic effects.
Nous avons étudié la formation du mélange chimique interfacial dans le système multicouches Mo/Ni, et en particulier l'influence des effets balistiques durant la croissance. Pour cela, des multicouches hétéro-épitaxiées c.c./c.f.c. Mo(110)/Ni(111) de périodes L variant de 4.8 à 27 nm ont été élaborées avec deux techniques de dépôt : l'évaporation thermique et la pulvérisation ionique. Au préalable, une description fine de l'état de contrainte de films minces de Mo élaborés par pulvérisation ionique a été requise. L'étude de la microstructure et de l'état de contrainte a été essentiellement réalisée par diffraction des rayons X, et l'irradiation aux ions a été utilisée comme un moyen efficace pour contrôler le niveau de contrainte.
Nous avons montré que les films déposés par voie thermique présentent une légère contrainte de croissance en tension (~ 0.6 GPa), qui peut être expliquée par le modèle de relaxation des joints de grains, alors que les films élaborés par pulvérisation ionique développent de fortes contraintes en compression (de - 2 à - 4 GPa). Celles-ci résultent du bombardement du film en cours de croissance par les particules énergétiques mises en jeu durant le processus de pulvérisation (phénomène d' "atomic peening"), qui conduit à la production de défauts dans les couches, ce qui génère des distorsions volumiques du réseau cristallin. Nous avons développé un modèle de contrainte qui permet de rendre compte de ces déformations volumiques par l'intermédiaire d'une contrainte hydrostatique et qui surtout donne accès au paramètre de maille non contraint et libre de défauts a0, paramètre directement et uniquement lié aux effets chimiques. Des preuves quantitatives que les défauts créés sont de nature interstitielle et qu'ils sont éliminés lors du processus de relaxation sous irradiation sont fournies.
Dans le cas de couches de Mo épitaxiées, il a été possible de séparer les contraintes de cohérence des contraintes de croissance en raison de leur cinétique de relaxation différente sous irradiation. Ainsi, la modélisation a permis de déterminer la valeur de a0 dans les sous-couches de Mo constitutives des multicouches Mo/Ni, en fonction de L et des conditions de dépôt. Une tendance à la formation d'un gradient chimique par ‘ségrégation' de nickel dans le molybdène est observée, indépendamment des conditions de dépôt. Ce résultat suggère que des forces thermodynamiques sont favorables au mécanisme d'échange. Néanmoins, l'amplitude de cet effet de mélange est clairement accentuée par les effets balistiques.
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Dates et versions

tel-00126193 , version 1 (24-01-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00126193 , version 1

Citer

Aurélien Debelle. Contraintes, microstructure et sollicitation sous irradiation aux ions de films minces élaborés par pulvérisation ionique : modélisation et application à l'étude des effets interfaciaux dans des multicouches métalliques. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Poitiers, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00126193⟩

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