L'implantation ionique de carbone et d'oxygène dans le titane a pour conséquence d'améliorer certaines de ses propriétés superficielles et peut donc être utilisée comme traitement de surface pour les alliages de titane. Cette étude profite du récent développement d'une nouvelle technologie d'implantation basée sur l'utilisation de micro-accélérateurs de particules qui permettent l'implantation d'ions multichargés (jusqu'au C4+ et O4+). L'objectif de la thèse a été dans un premier temps de réaliser un faisceau d'ions carbone multichargés chimiquement pur à l'aide d'un micro-spectromètre de masse. Les modifications microstructurales induites par l'implantation de ces ions dans Ti-6Al-4V ont été analysées par différentes techniques. Des tests de dureté par nanoindentation et de tribologie ont également été effectués montrant qu'une fluence d'implantation seuil est nécessaire pour obtenir une amélioration significative des propriétés tribologiques. Ces améliorations sont corrélées avec la présence d'amas graphitique et de carbone amorphe. De plus, il a été montré que la présence d'oxygène limite très rapidement les performances tribologiques.

Les travaux exposés dans cet ouvrage portent sur le comportement mécanique de l'oxyde de magnésium (MgO) sous nanoindentation. L'étude est plus particulièrement focalisée sur les mécanismes élémentaires de déformation précédant et accompagnant le pphénomène de pop-in. L'observation de la surface autour des zones indentées, et en particulier des lignes de glissement, a été réalisée par microscopie à force atomique (AFM). La structure en volume des dislocations nucléées lors de l'essai de nanoindentation a été explorée par une technique de tomographie couplant polissage mécano-chimique (CMP) et nano-attaque chimique. Ces études expérimentales ont été confrontées à des simulations numériques menées à l'aide d'un code de dynamique de dislocations discrètes (DDD) couplé à un code éléments finis. Une étude bibliographique présentant en particulier les mécanismes de plasticité associés au phénomène de pop-in est tout d'abord proposée. Des expériences menées sur des échantillons présentant une très faible concentration de défauts sont ensuite présentées. Les résultats expérimentaux montrent que contrairement à l'idée communément admise, la déformation précédant le pop-in n'est pas nécessairement purement élastique. Par la suite, l'introduction contrôlée de défauts (défauts ponctuels, dislocations) dans le matériau a permis d'étudier leur influence sur les mécanismes initiaux de plasticité. Enfin, les simulations numériques ont permis d'accéder au comportement des dislocations individuelles dans le champ de contraintes complexe généré par l'indenteur tout au long d'un cycle d'indentation. Ces résultats apportent un éclairage sur les comportements observés expérimentalement.

Les couches minces à bas indice de réfraction présentent un intérêt important pour ajuster les propriétés optiques de certains dispositifs, par exemple leur réflectivité. Les couches sol-gel mésoporeuses de silice préparées par auto-assemblage de tensioactif ont été l'objet de nombreuses études mais présentent un indice de réfraction très peu stable puisqu'elles peuvent être le lieu de condensation capillaire d'eau atmosphérique. Pour dépasser ce problème, nous avons préparé des couches sol-gel poreuses de silice, structurées par des latex synthétisés spécifiquement, avec des tailles de pores supérieures à 30 nm, pour lesquelles la condensation capillaire n'a pas lieu. Ces couches ne présentent pas de microporosité dans les murs de silice, ce qui permet d'ajuster indépendamment et précisément la taille des pores, leur fraction volumique ainsi que leur chimie de surface. L'accessibilité des pores en fonction de leur taille et de la fraction poreuse a été étudiée par ellipsométrie-porosimétrie et par annihilation de positons. Une transition de percolation entre une porosité ouverte et fermée a été observée lorsque l'on fait décroître la fraction poreuse. Les propriétés mécaniques des couches ont été étudiées par nanoindentation : nous avons montré que module d'Young et dureté suivent un modèle de surface solide minimale. Le caractère modèle des propriétés structurales et mécaniques des couches ainsi préparées nous permet d'envisager une optimisation des propriétés du matériau. Ces couches poreuses avec un indice de réfraction très stable et ajustable sur une large gamme (de 1,10 à 1,45) sont ainsi très prometteuses pour des applications optiques

Cette étude porte sur la caractérisation physique, chimique et mécanique de films minces de nitrure de silicium. Ces films sont utilisés pour accroître les performances des transistors en induisant une déformation dans le canal. Pour ce faire les films sont fortement contraints par les conditions de dépôts. Pour améliorer encore plus les performances des transistors, la contrainte du film a été augmentée en utilisant des films multicouches avec traitement plasma. Ce traitement engendre une désorption d'hydrogène permettant la recombinaison de nouvelles liaisons Si-N, conduisant à l'augmentation de la contrainte. Lors de cette première phase de densification, on constate par ailleurs que le module de Young augmente aussi bien dans plan que hors-plan. Ensuite, si le traitement se prolonge, la désorption s'arrête et on constate une deuxième phase au cours de laquelle la porosité du film diminue fortement. Cette diminution semble corrélée à l'accroissement supérieur du module de Young dans le plan par rapport à celui hors-plan, conduisant à une anisotropie du film. On suppose donc que les pores sont de forme colonnaire dans la direction hors-plan.

Nanoindentation is a method of contacting a material whose mechanical properties are unknown with another material whose properties are known. Nanoindentation has the advantage of being able to probe a material’s microstructure while being sensitive enough to detect variations in mechanical properties. However, nanoindentation has some limitations as a testing technique due to the specific formation and structure of some biomaterials. The main objective of this research is to identify any factors that influence the nanoindentation measurement of wood cell walls (a typical biomaterial). The function of the embedding media in describing the properties of wood cells is poorly understood. This research demonstrated that Spurr’s resin, when diffused into wood cell wall during the embedding process, enhanced both the Young’s modulus and hardness of the cell walls. A substitute sample preparation method was developed to avoid this resin penetration into cell wall and was determined to be both effective and easy to perform. The nanoindentation procedure involves the application of a monitor and an analysis of the load-displacement behavior and the response in the material. It can be anticipated that various ways of loading, including the maximum force, the loading time, and others, will cause a variety of mechanical properties. Thus, our second aim was to study the effect of load function on nanoindentation measurement in wood. It was discovered that a fast loading rate contributed to greater contact depth and lower hardness. Increasing the holding time decreased measured values for both Young’s modulus and hardness. However, no significant difference of Young’s modulus and hardness among three loading functions with different unloading rates. The final part of the research was to study the effect of moisture content on the micromechanical properties of wood material. Several nanoindentations were performed on the wood cell wall while varying the moisture content of wood. Results indicated that both the Young’s modulus and hardness decreased significantly with an increase of moisture content. A rheology model was developed to describe the nanoindentation behaviors of wood cell walls at different moisture contents. Five parameters were extracted from Burger’s model, and the relationships among those five parameters were quantified.

The Vickers residual stress field (VRSF) in soda-lime glass results from the elastic-plastic contact event that takes place when a Vickers diamond pyramid is loaded onto the surface of the material in an indentation cycle. The importance of elastic-plastic indentation lies in the contact damage that it gives rise to in the surface of the glass. Since such surface flaws can be characterised, with respect to shape and size, they offer the opportunity to study naturally occurring flaws in glass and brittle materials in general. The residual stress field is not passive; rather it exerts a crack opening force on the associated crack system during subsequent strength testing of a Vickers-indented sample through a residual stress field coefficient, c. Besides the strength-controlling properties, the elastic-plastic contact residual stress field is also important as a region where the influence of mechanical excitation on material properties such as hardness, H, and elastic modulus, E, can be studied. This thesis concerns studies that were made to characterise the Vickers residual stress field by first measuring the magnitude and distribution of stresses around it, using nanoindentation with a cube corner tip. With a Berkovich tip in nanoindentation, experiments were conducted in the VRSF to study the dependence of hardness, H and elastic modulus, E, on stresses in soda-lime glass: a strong E dependence on stress was observed, while H was not affected unless the stresses were high. In the process, a method was developed to determine the true contact area during elastic-plastic nanoindentation when the Oliver-Pharr method is used for the data analysis. The observed elastic modulus dependence on stress was then utilised in a study where it was shown that the VRSF responds differently to relaxation annealing on either side of the glass transition temperature. This result was then used to explain strength recovery trends in annealed Vickers-indented glass specimens.

Segmental long spacing (SLS) collagen self-assembly was studied by analyzing aggregates formed from different nucleoside triphosphates at various protonation stages. Triple-negatively charged triphosphate groups were determined to be critical for SLS assembly, electrostatically bridging basic residues between collagen monomers. In the second part of this thesis, the nominal elastic modulus for each of the three forms of Type I collagen aggregate was measured and compared. Fibrous long spacing collagen, often associated with diseased tissues, exhibited lower stiffness in comparison to the other forms, native and SLS, suggesting decreased structural stability in diseased tissues. In the last section, a unidirectional pattern of native fibrils was assembled using mica as a template; the ability to customize and change the surface morphology was also demonstrated. For the first time, collagen monomers deposited on the mica were demonstrated to gain lateral mobility.

Segmental long spacing (SLS) collagen self-assembly was studied by analyzing aggregates formed from different nucleoside triphosphates at various protonation stages. Triple-negatively charged triphosphate groups were determined to be critical for SLS assembly, electrostatically bridging basic residues between collagen monomers. In the second part of this thesis, the nominal elastic modulus for each of the three forms of Type I collagen aggregate was measured and compared. Fibrous long spacing collagen, often associated with diseased tissues, exhibited lower stiffness in comparison to the other forms, native and SLS, suggesting decreased structural stability in diseased tissues. In the last section, a unidirectional pattern of native fibrils was assembled using mica as a template; the ability to customize and change the surface morphology was also demonstrated. For the first time, collagen monomers deposited on the mica were demonstrated to gain lateral mobility.

<p>The Vickers residual stress field (VRSF) in soda-lime glass results from the elastic-plastic contact event that takes place when a Vickers diamond pyramid is loaded onto the surface of the material in an indentation cycle. The importance of elastic-plastic indentation lies in the contact damage that it gives rise to in the surface of the glass. Since such surface flaws can be characterised, with respect to shape and size, they offer the opportunity to study naturally occurring flaws in glass and brittle materials in general. The residual stress field is not passive; rather it exerts a crack opening force on the associated crack system during subsequent strength testing of a Vickers-indented sample through a residual stress field coefficient, c. Besides the strength-controlling properties, the elastic-plastic contact residual stress field is also important as a region where the influence of mechanical excitation on material properties such as hardness, H, and elastic modulus, E, can be studied.</p><p>This thesis concerns studies that were made to characterise the Vickers residual stress field by first measuring the magnitude and distribution of stresses around it, using nanoindentation with a cube corner tip. With a Berkovich tip in nanoindentation, experiments were conducted in the VRSF to study the dependence of hardness, H and elastic modulus, E, on stresses in soda-lime glass: a strong E dependence on stress was observed, while H was not affected unless the stresses were high. In the process, a method was developed to determine the true contact area during elastic-plastic nanoindentation when the Oliver-Pharr method is used for the data analysis.</p><p>The observed elastic modulus dependence on stress was then utilised in a study where it was shown that the VRSF responds differently to relaxation annealing on either side of the glass transition temperature. This result was then used to explain strength recovery trends in annealed Vickers-indented glass specimens.</p>

Ce travail a pour objectif de mieux comprendre et maîtriser les défaillances mécaniques par fissuration liées à la réduction d'échelle des circuits intégrés appliquant la mécanique de la rupture à la microélectronique. La démarche scientifique pour discuter de l'intégrité mécanique de structures complexes telles que les interconnexions, a été conduite en deux étapes.<br /><br />- Comprendre et caractériser les mécanismes de fissurations sur les films minces fragiles de low-k par deux méthodes expérimentales, nanoindentation coin de cube et multifissuration canalisée en flexion 4 points. Les valeurs de ténacités obtenues, étant les plus critiques, servent ainsi de valeurs seuils pour estimer les risques de rupture d'une structure d'interconnexion.<br />- Estimer les risques de perte d'intégrité d'une structure par des approches numériques par Eléments finis. L'une est basée sur un critère d'amorçage de fissure aux singularités géométriques et matérielles, la seconde sur un critère énergétique de propagation de fissure pré-existante.<br /><br />Les résultats obtenus permettent d'établir les tendances générales d'influence de l'architecture des structures sur leur risque de fissuration.