X-ray synchrotron in-situ mechanical study of gold nanolayered thin films under controlled biaxial deformation

Ce travail de thèse propose d'étudier les effets de taille et de microstructure sur les propriétés mécaniques de films minces d'or nanostructurés déposés sur des substrats flexibles lors d'essais de traction bi-axiale. Les couches minces d'or sont déposées sur du polyimide par pulvérisation ionique, technique qui permet de contrôler la taille des grains selon la direction de croissance dans les films minces en contrôlant l'épaisseur de ces derniers. Nous avons ensuite réalisé des expériences de déformation in-situ sur ces couches minces grâce à la machine de traction bi-axiale installée sur la ligne de lumière DiffAbs du synchrotron SOLEIL, source de rayons X intense qui permet de mesurer par diffraction les déformations dans les films minces polycristallins. La première étape de ce travail a été d'effectuer des expériences de traction bi-axiale pour des chargements dits « pas à pas » en imposant différents ratios de force sur deux séries de couches minces d’or d'épaisseurs différentes afin d'étudier la limite d'élasticité en fonction du chemin de chargement choisi et de tracer une surface de charge pour les deux séries d'échantillons d'or étudiés. La deuxième étape de ce travail a consisté à valider un mode de chargement dit « continu » en comparant les propriétés mécaniques d'une même série d'échantillons d'or obtenus avec ces deux types de chargements : « pas à pas » et « continu ». Une fois validé, nous avons réalisé des expériences de traction bi-axiale sur différentes séries d'échantillons d'or possédant différentes tailles grains et architecture afin de mettre en évidence un effet de taille sur les propriétés mécaniques de films minces nanométriques.The main purpose of this thesis is to study the size and microstructure effects on the mechanical response of gold nanostructured thin films deposited on flexible substrates during biaxial tensile tests. Gold thin films are deposited onto polyimide substrates by sequenced ion sputtering technique in order to control the grain size in the growth direction. We have carried out in situ deformation experiments using the biaxial tensile device installed on the diffractometer of the DiffAbs beamline at synchrotron SOLEIL (Saint-Aubin, France), an intense X-rays source which allows to determine applied strains in polycrystalline thin films thanks to x-ray diffraction measurements. In a first step, we performed tensile biaxial tests for different load ratio using “step by step” procedure on two series of gold thin films showing different thicknesses in order to study the mechanical response analyzing the yield surface that can be extracted with the biaxial device. In a second step, we validated a continuous loading procedure which allows gaining a factor of 10 in the time frame. Validation is made by comparing the mechanical properties of two series of gold thin films investigated using “step by step” loading and “continuous” loading. After validation of the continuous loading procedure, tensile biaxial tests have been performed on different series of gold thin films with different grain size and architecture in order to put in highlight a size effect on the mechanical behavior of nanolayered thin films