L’essor de la demande actuelle pour des matériaux architecturés, en microélectronique par exemple, ou pour des matériaux de structure, nécessite le développement d’outils de caractérisation toujours plus performants. Dans cette optique, un instrument de caractérisation multifonctionnel basé sur un couplage mécanique / électrique, a été développé au laboratoire SIMaP. Le cœur de ce dispositif est un nanoindenteur in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) couplé à des mesures électriques. Ce travail est porté par trois principales motivations: (1) L’étude du comportement mécanique d’objets petites échelles, (2) L’apport des données électriques à l’analyse quantitative du comportement mécanique pendant l’indentation, en particulier pour obtenir une meilleur estimation de l’aire de contact, (3) L’étude locale des propriétés électroniques d’empilements de films minces. L’intégration in situ SEM a été validée et permet un positionnement des indents avec une précision meilleure que 100 nm, autorisant ainsi l’étude des propriétés mécaniques à l’échelle submicrométrique. La rapidité des essais permet également des mesures statistiques. Des caractérisations mécaniques ont été menées aussi bien sur des échantillons composites massifs que sur des ilots d’or submicrométriques. Pour ce dernier cas, malgré la nature stochastique de leur comportement mécanique, une loi déterministe a pu être extraite des données mécaniques. Des mesures 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) au synchrotron ont été réalisées sur certains ilots avant et après chargement mécanique, révélant une germination de dislocations avant l’avalanche de grandes déformations plastiques. En parallèle de cette étude, des mesures électriques ont été réalisées pendant l’indentation de divers échantillons. Des mesures de nanoindentation résistive ont ainsi été effectuées sur des métaux nobles (Au) ou recouverts de leur oxyde natif (Cu, Al), soit à l’état de monocristal massif ou de film polycristallin. Les résultats quantitatifs soulignent l’importance de la présence d’une couche d’oxyde sur la réponse électrique. En présence d’un oxyde, l’interface pointe / échantillon semble être le lieu d’importantes réactions électrochimiques. En l’absence d’oxyde, la résistance mesurée peut être entièrement décrite par un modèle analytique. Dans ce cas, l’aire de contact électrique peut être prédite à partir des mesures de résistance. Enfin, des mesures capacitives ont été réalisées sur des structures MOS avec différentes épaisseurs d’oxyde. Les résultats expérimentaux sont parfaitement décrits par un modèle analytique, ce qui ouvre la voie à des mesures locales de permittivité diélectrique sous contrainte mécanique. / The increasing demand for multifunctional materials has become a recurrent challenge for a wide panel of application fields such as microelectronics and structural applications. Within the frame of this project, a multifunctional characterisation set-up has been developed at SIMaP lab, mainly based on the electrical / mechanical coupling. The heart of this device is an in situ FEG-SEM (Field Emission Gun Scanning Electron Microscope) nanoindenter coupled with an electrical measurement apparatus. This work has threefold objectives: (1) The investigation of mechanical behavior of small scale systems, (2) The input of electrical data to the quantitative analysis of mechanical behavior during indentation, in particular to obtain a better estimation of the contact area (3) The local study of electronic properties of thin film stacks. SEM integration of the device has been validated and indent positioning with a precision better than 100 nm is successfully obtained. This performance allows the studies of mechanical properties at submicrometric length scale, with a high throughput allowing statistical measurements. Various bulk composite materials have been characterized as well as submicrometric gold islands on sapphire. In the latter case, despite the stochastic nature of their mechanical behavior, a deterministic law has been extracted. 3D-BCDI (Bragg Coherent Diffraction Imaging) experiments have been performed on a few islands at synchrotron facility to investigate the crystal state before and after mechanical loading. These experiments reveal initial dislocation nucleation prior to large deformation bursts. In parallel to this study, electrical measurements have been performed during indentation on various cases. Resistive-nanoindentations have been performed on noble metals (Au) and natively oxidized metals (Cu, Al), either as bulk single crystals or as polycrystalline thin films. Qualitative results emphasize the importance of the oxide layer on the electrical response. In the presence of an oxide layer, strong electrochemical reactions seem to occur at the tip-to-sample interface. When no oxide is involved, the measured resistance can be fully described by an analytical model and the computed electrical contact area is successfully validated with residual areas measurements. Finally, capacitive measurements have been performed on MOS structures with various oxide thicknesses. Experimental results have been well described by analytical modelling, which paves the way for quantitative local dielectric permittivity measurements under mechanical loading.

Deux problèmes surviennent lorsque nous étudions les effets du grenaillage de précontrainte sur le processus de la fatigue. Le premier est la caractérisation des contraintes résiduelles (CR) et de l’écrouissage. Le second est l’évolution de CR et de l’écrouissage pendant le cyclage.Pour résoudre le premier problème, cette thèse propose une méthode pour mesurer les contraintes et l’écrouissage par nanoindentation. Ici, l’écrouissage est représenté par la déformation plastique cumulée (PP). A l’aide d’une série de simulations par éléments finis (MEF) en supposant le comportement du matériau connu, les réponses obtenues par indentation permettent d’obtenir simultanément contrainte et déformation plastique. Bien que satisfaisante d’un point vue numérique, les performances expérimentales obtenues sur un alliage de titane temps T40 restent insuffisantes. Cependant, si le profil de contrainte est connu, on peut toutefois obtenir le profil de déformation plastique. Les biais induits par la préparation de la surface ont été analysés en détail. Pour le second problème, une série d'essais de fatigue ont été effectués sur un alliage Ti-18. Quatre traitements ont été testés sur 100 cycles sous 3 amplitudes différentes de déformation. Des mesures par diffraction des rayons X ont montré que la relaxation des contraintes et l’adoucissement cyclique augmentent avec l'amplitude de déformation. Les essais d’indentation ont montré un adoucissement de la couche grenaillée / There are two problems when investigating the effects of shot-peening on fatigue process. The first one is characterizing residual stresses (RS) and strain hardening (WH) on the sample surface. The second one is the evolution of RS and WH during fatigue. In order to solve the first problem, this thesis proposes a “simultaneous function method” to measure RS and WH with nanoindentation. Accumulated plastic strain (PP) is used to represent WH. Then, by establishing functions of normalized indentation responses through a series of finite element method (FEM) simulations, normalized indentation responses obtained from nanoindentation experiments can be used to extract RS and PP values, assuming that the constitutive behavior is known. Although the simultaneous function method shows fairly high accuracy from a pure numerical view point, experiments performed on T40 commercial pure titanium are not completely satisfying. However, if the residual stress profile is known, the method can be used to derive the work hardening profile.In order to study the second problem, a series of strain-controlled fatigue tests are performed on Ti-18 alloy. Fatigue specimens of 4 material states, including raw, shot-peened, prestrained and prestrained + shot-peened, were tested under 3 different strain amplitudes over 100 cycles. X-ray diffraction tests on the sample surfaces showed that the RS relaxation and the cyclic softening increase together with the strain amplitude. IIT tests showed that shot-peening may induce a softening of the surface of Ti-18 alloy samples

Les matériaux super-élastiques sous forme de couche minces présentent un domaine d’applications assez large. Grâce à leur aptitude à accommoder de grandes déformations de manière réversible, les films super-élastiques peuvent être utilisés comme sous couches entre le substrat et les revêtements dures. Cela permet d’améliorer significativement de nombreuses propriétés telles que : l’adhésion, le taux d’usure et le coefficient de frottement. Elles peuvent également être utilisées dans la fabrication des dispositifs médicaux tels que les stents. Bien que les alliages β-métastable à base de titane présentent des propriétés remarquables, une grande partie de la littérature publiée sur les films super-élastiques est consacrée aux alliages Ni-Ti. Ainsi, le but de ce travail est de développer de nouvelles couches super-élastiques de type β-métastable, obtenues par pulvérisation cathodique magnétron. Dans ce sens, deux types d’alliages ont été étudiés, les alliages binaires Ti-Nb et l’alliage quaternaire Ti-Nb-Ta-Zr. Après une description du dispositif expérimental utilisé pour la synthèse des couches, nous étudions plus particulièrement l’influence des paramètres de dépôt sur les propriétés des revêtements. La morphologie des revêtements a été caractérisée par microscope électronique à balayage. La diffraction de rayons X a été employée pour l’étude de la microstructure et la texture des films déposés. Enfin, l’effet super-élastique a été caractérisé par deux méthodes, l’indentation sphérique et la compression de micro-piliers usinés par faisceau d’ions focalisés / Superelastic thin films have a fairly wide field of applications. Thanks to their ability to accommodate a large deformation reversibly, superelastic films may be used as intermediate layers between the substrate and the hard layers. This significantly improves many properties such as adhesion, wear and coefficient of friction. They can also be used in the manufacture of medical devices such as stents. Although β-metastable titanium-based alloys have excellent properties, much of the published literature on the superelastic films is devoted to Ni-Ti. Thus, the purpose of this work is to develop new superelastic β-metastable titanium-based films, obtained by magnetron sputtering. After describing the experimental device used for the synthesis of thin films, we study more specifically the influence of deposition parameters on the properties of coatings. The morphology was characterized by the observation of fractured cross-sectional by scanning electron microscope. The X-ray diffraction was used to study the microstructure and texture of the deposited films. Finally, the superelastic effect was characterized by two methods, the spherical indentation and micro-pillars compression machined by focused ion beam

L’objectif de ces travaux est d’étudier et de développer des cellules solaires à base de couches minces de CIGS élaborées sur un substrat innovant : le verre ultra-fin. Ce matériau possède des propriétés avantageuses, liées notamment à sa résistance aux températures élevées, à sa légèreté, à son aptitude à bloquer l’humidité, à sa transparence et à une certaine flexibilité mécanique. Nous avons ici cherché à exploiter ces propriétés pour la fabrication de cellules CIGS légères et conformables. D’abord, nous montrons la faisabilité de cellules CIGS sur des substrats en verre ultra-fin de 100 mm d’épaisseur. Nous obtenons un rendement de 12,1 % en utilisant une électrode arrière en bicouche composée d’une couche de Mo pure et d’une couche contenant du sodium, ce qui constitue le record actuel pour la technologie CIGS sur verre ultra-fin. Nous montrons ensuite que les performances des cellules peuvent se détériorer sous l’effet de flexions mécaniques répétées avec un rayon de courbure de 5 cm, en partie en raison de la formation de fissures dans les cellules. Nous présentons ensuite une étude sur les propriétés mécaniques du Mo et du CIGS, réalisée à partir d’essais de nanoindentation. La dureté et le module de Young de ces deux couches sont reportés ainsi que, pour la première fois, la ténacité et les contraintes résiduelles du CIGS. Ces résultats sont ensuite utilisés pour calculer les contraintes générées dans le CIGS lors de la flexion des cellules. Enfin, nous proposons une structure bi-verre optimisée pour limiter les contraintes dans le CIGS en flexion. / The goal of this work is to study and to develop CIGS thin-film solar cells on an innovative substrate: the ultra-thin glass. This material has advantageous properties, mainly attributed to its high temperature resistance, its lightweight, its barrier property against moisture, its transparency and its mechanical flexibility. Here we tried to use these properties for the fabrication of lightweight and conformable CIGS solar cells. First, we demonstrate the feasibility of CIGS solar cells on 100 mm-thick ultra-thin glass substrates. We reached 12.1 % efficiency by using a bilayer back contact consisting of a pure Mo layer and a sodium doped Mo layer, which is up to now the record efficiency for CIGS solar cells on ultra-thin glass substrate. Then we show that solar cell performances can deteriorate under cyclic bending fatigue conditions with a radius of curvature of 5 cm. This is partially explained by the formation of cracks in the cells. Then, we report on the mechanical properties of the Mo and the CIGS layers measured by nanoindentation. The hardness and the Young’s modulus of each layer is given and, for the first time, the toughness and the residual stresses of the CIGS. These results are then used to calculate the CIGS internal stresses when the cells are bent. Finaly, we propose a glass-glass structure optimized to lower the CIGS internal stresses under bending.

Les couches minces sont utilisées dans un nombre important de domaines industriels comme les Micro- et Nano- Technologies (MNT) ou le traitement de surfaces. Elles peuvent être utilisées soit comme couches de structures, soit pour apporter des fonctions de protection ou de fonctionnalisation à des surfaces. On distingue généralement deux types de couches minces : les couches minces déposées et les couches minces autoportantes. L’objectif du travail présenté dans ce manuscrit est de développer des méthodes de caractérisation mécanique du comportement élasto-plastique des couches minces autoportantes et déposées. Dans un premier temps, nous présentons un essai de microtraction à même de travailler sur des couches d’épaisseur 750 nm et les moyens techniques associés. Ces outils permettent de caractériser les propriétés élasto-plastiques et l’endommagement mécanique des couches minces autoportantes. Dans un second temps, nous nous intéressons à la mise en œuvre de méthodes d’identification paramétrique associées à des essais d’indentation instrumentée dans l’optique de caractériser le comportement élasto-plastique des matériaux en couches minces déposées. Les couches caractérisées dans cette étude sont des multicouches Au-NiCo d’épaisseur totale 22 µm et des couches minces d’aluminium élaborées à partir de plusieurs procédées dont les épaisseurs sont comprises entre 1 et 1,5 µm. / The thin films are used in a large number of industrial fields such as Micro- and Nano- Technology (MNT) or treatment of surfaces. They can be used either as layer structures, or to provide protection functions or functionalized surfaces. There are generally two types of thin layers deposited thin films and self-supporting thin layers. The objective of the work presented in this manuscript is to develop methods for mechanical characterization of elastic-plastic behavior of free-standing thin films and deposited. First, we present a microtensile test able to work on 750 nm thick layers and associated technical means. These tools allow to characterize the elastic-plastic properties and mechanical damage freestanding thin films. In a second step, we focus on the implementation of parametric identification methods associated with implementation of instrumented indentation testing in the context of characterizing the elastic-plastic behavior of the deposited thin film materials. The layers characterized in this study are multilayer NiCo In total thickness 22 microns and thin layers of aluminum produced from several procédées with thicknesses between 1 and 1.5 microns.

Avec l’avènement des NEMS, MEMS, films minces et autres revêtements, la caractérisation des propriétés mécaniques à uneéchelle locale est primordiale. A cet effet, l’essai d’indentation instrumentée permet l’acquisition continue de la réponse (courbeforce – profondeur de pénétration) d’un matériau à la pénétration d’un indenteur de géométrie donnée. Le post-traitement d’unetelle courbe permet la détermination de propriétés telles que le module d’indentation ou la dureté. Cette analyse est basée surla théorie du contact élastique, qui suppose une géométrie axisymétrique parfaite de la pointe d’indentation, un comportementpurement élastique du matériau, et la non-prise en compte des déplacements radiaux dans la zone de contact. En pratique, ceshypothèses sont souvent mises en défaut : les indenteurs sont généralement des pyramides à 3 pans (Berkovich, Cube Corner)ou 4 pans (Vickers, Knoop) présentant un émoussement de la pointe, et le comportement mécanique des matériaux est souventcomplexe. La correction de la relation de Sneddon, utilisée dans la méthode d’Oliver et Pharr pour l’analyse des essais denanoindentation, est donc nécessaire. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la détermination de ce facteurde correction, qui n’est pas une valeur universelle ni unique comme le préconisent certains auteurs. Il dépend notamment de lapression exercée par la pointe d’indentation et du matériau sollicité. Cette étude s’est faite sur la base de la détermination de laloi de comportement d’un des matériaux standards utilisés pour la calibration de l’essai de nanoindentation, la silice fondue.Ce matériau présente un comportement mécanique spécifique : sa déformation anélastique s’effectue par un mécanisme dedensification. Dans un premier temps, les paramètres de cette loi de comportement sont identifiés par une approche inversecombinant la simulation numérique 3D de l’essai d’indentation à l’optimisation de la fonction objectif au moyen d’unalgorithme génétique. Le facteur de correction est ensuite déterminé pour deux géométries de pointes et à différentes valeursdu rapport adimensionnel "profondeur de pénétration/rayon de pointe". La méthodologie proposée a été appliquée à ladétermination du module d’indentation d’un acier inox. / With the advent of NEMS, MEMS, thin films and other coatings, the characterization of local mechanical properties is achallenge. For this purpose, the instrumented indentation test allows for the continuous acquisition of the response (loadpenetration depth) of the material using an indenter of given geometry. The post-processing of such a curve allows thedetermination of the indentation modulus or the hardness of that material. This analysis relies on the elastic contact theory,which assumes an axisymmetric and perfect indenter, a purely elastic behaviour, and no radial displacements in the contactarea. In practice, those assumptions are defeated: indenters shapes are rather three-sided (Berkovich, Cube Corner) or foursided (Vickers, Knoop) pyramids, with blunted tips. Furthermore, mechanical behaviour is rather complex. The introductionof a correction factor in the Sneddon’s relationship, on which is based the Oliver and Pharr method for the analysis ofnanoindentation data is then necessary. Whithin the scope of this work, we aimed at determining this correction factor, whichhas not a unique nor a universal value, as recommended by some authors. It depends on the pressure distribution beneath theindenter and on the tested material. This study is based on the identification of the constitutive law of one of the referencespecimen used for calibration of the nanoindentation test, namely fused silica. The latter exhibits a specific mechanicalbehaviour, its anelastic deformation being achieved by a densification mechanism. In a first step we have determined the modelparameters by an inverse approach combining the 3D numerical simulation of the indentation test with the optimization of theobjective function using a genetic algorithm. The correction factor is then determined for two tip geometries and at severalpenetration depth over tip radius adimensional ratios. The proposed methodology was applied to the determination of theindentation modulus of an inox steel.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von dünnen amorphen Metallschichten. Diese Materialklasse hat durch das Fehlen von klassischen mikrostrukturellen Fehlern wie Versetzungen oder etwa Korngrenzen Vorteile hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit oder beispielsweise Korrosionsbeständigkeit. Die binären Legierungen Ni-Zr und Cu-Ti wurden grundlegend in ihren Phasen-Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen insbesondere in Abhängigkeit ihrer Zusammensetzung untersucht. Unter anderem wurden die Oberflächenrauheit und der spezifische elektrische Widerstand bestimmt und im materialwissenschaftlichen Kontext diskutiert. Das Hauptaugenmerk lag auf der Ermittlung der mechanischen Kennwerte wie E-Modul und intrinsische Eigenspannung. Die Kenntnis darüber ist notwendig, wenn in reproduzierbarer Weise Mikroröhren durch Aufrollen aus Dünnschichten dieses Materials hergestellt werden sollen. Eine solche Technologie setzt Eigenspannungsgradienten orthogonal zur Schichtebene voraus, so dass nach Ablösen vom Substrat sich eine Röhrengeometrie durch elastische Relaxation ergibt. In dieser Arbeit wurden die eigenspannungsgenerierenden Effekte in Abhängigkeit des Gefüges und der vorliegenden Phasen analysiert. Die gemessenen konkreten Werte wurden genutzt um erste Röhren gezielt herzustellen. Dabei zeigte sich, dass bereits mit geringem technologischem Aufwand die Röhren sich reproduzierbar und vorhersagbar in ihrer Geometrie fertigen lassen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Amorphe Metalle 2.1.1 Legierungssystem Ni-Zr 2.1.2 Legierungssystem Cu-Ti 2.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 2.2.1 Überblick 2.2.2 Kathodenzerstäuben 2.3 Spannungen in Dünnschichten 2.4 Mikroröhren aus selbstaufrollenden Dünnschichten 3 Details der eingesetzten Verfahren 3.1 Herstellung der Dünnschichten 3.1.1 Magnetron-Ko-Kathodenzerstäuben 3.1.2 Optimierung der Abscheideparameter 3.2 Charakterisierung von Zusammensetzung und Struktur 3.2.1 Röntgenfluoreszenzanalyse 3.2.2 Röntgendiffraktometrie 3.2.3 Rasterelektronenmikroskopie / Focused-Ion-Beam-Technik 3.3 Bestimmung physikalischer Eigenschaften 3.3.1 Substratkrümmungsmethode 3.3.2 Messung des elektrischen Widerstands 3.3.3 Rasterkraftmikroskopie 3.3.4 Nanoindentation 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Modellsystem Ni-Zr 4.1.1 Strukturelle Charakterisierung 4.1.2 Physikalische Eigenschaften 4.2 Legierungssystem Cu-Ti 4.2.1 Morphologie und Struktur 4.2.2 Physikalische Eigenschaften 4.3 Aufgerollte Schichtverbunde 4.3.1 Modell des verspannten Doppellagen-Schichtverbundes 4.3.2 Doppelschichtsystem Ni-Zr 4.3.3 Schichtspannungsoptimierte Ni-Zr-Legierungsschicht 5 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Danksagung Anhang / This dissertation is addressing the preparation and characterization of thin amorphous metallic films. That material class has its advantages concerning mechanical stability or corrosion resistance due to the lack of classic microstructural defects like dislocations or grain boundaries. Ni-Zr and Cu-Ti as binary alloys were examined thoroughly in their phase-microstructure-property relationships especially in dependency on chemical composition. Beside others the surface roughness and specific electrical resistivity was determined and discussed in material science context. The main focus was on investigation of mechanical characteristic values like Young’s modulus and intrinsic residual stresses. Knowledge on that issue is necessary, when microtubes are to be reproducibly fabricated out of thin films made of these materials. Such a technology requires a stress gradient perpendicular to the layer plane, which leads to a tube geometry after separating it from the substrate due to the effect of elastic relaxation. In the present research the stress generating effects are analyzed with respect to the microstructure and existent phases. The measured actual values were used to produce first test tubes. It is shown, that these tubes can be fabricated in a reproducible and foreseeable manner in geometry even with a low techno-logical effort.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Amorphe Metalle 2.1.1 Legierungssystem Ni-Zr 2.1.2 Legierungssystem Cu-Ti 2.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 2.2.1 Überblick 2.2.2 Kathodenzerstäuben 2.3 Spannungen in Dünnschichten 2.4 Mikroröhren aus selbstaufrollenden Dünnschichten 3 Details der eingesetzten Verfahren 3.1 Herstellung der Dünnschichten 3.1.1 Magnetron-Ko-Kathodenzerstäuben 3.1.2 Optimierung der Abscheideparameter 3.2 Charakterisierung von Zusammensetzung und Struktur 3.2.1 Röntgenfluoreszenzanalyse 3.2.2 Röntgendiffraktometrie 3.2.3 Rasterelektronenmikroskopie / Focused-Ion-Beam-Technik 3.3 Bestimmung physikalischer Eigenschaften 3.3.1 Substratkrümmungsmethode 3.3.2 Messung des elektrischen Widerstands 3.3.3 Rasterkraftmikroskopie 3.3.4 Nanoindentation 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Modellsystem Ni-Zr 4.1.1 Strukturelle Charakterisierung 4.1.2 Physikalische Eigenschaften 4.2 Legierungssystem Cu-Ti 4.2.1 Morphologie und Struktur 4.2.2 Physikalische Eigenschaften 4.3 Aufgerollte Schichtverbunde 4.3.1 Modell des verspannten Doppellagen-Schichtverbundes 4.3.2 Doppelschichtsystem Ni-Zr 4.3.3 Schichtspannungsoptimierte Ni-Zr-Legierungsschicht 5 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Danksagung Anhang

A better understanding of how the nanoscale environment affects the mechanical properties of materials, in particular metallic nanoparticles and nanocrystalline metals is vital to the development of next generation materials. Of special interest is obtaining a fundamental understanding of the inverse Hall-Petch Effect in nanocrystalline metals, and nanoindentation in individual nanoparticles. Understanding these subjects is critical to understanding how the mechanical properties of materials are fundamentally affected by nanoscale dimensions. These topics have been addressed by a combination of theoretical modeling and in-situ nanoindentation transmission electron microscopy (TEM) analysis. Specifically, the study of the inverse Hall-Petch effect in nanocrystalline metals will be investigated by a thorough review of the literature followed by a proposed novel theoretical model that better explains the experimentally observed behavior of nanocrystalline metals. On the other hand, the nanoindentation of individual nanoparticles is a very new research topic that has yet to aggregate a large body of experimental data. In this context, in-situ TEM nanoindentation experiments on silver nanoparticles will be first performed to determine the mechanisms of deformation in these nanostructures. A theoretical explanation for the observed deformation mechanisms will be then developed and its implications will be discussed. In addition to nanoparticles, this study will also provide unique and valuable insight into the deformation mechanisms of nanopillars, a growing area of research despite much controversy and speculation about their actual mechanisms of deformation. After studying the novel behavior of both nanocrystalline metals and nanoparticles, useful applications of both classes of materials will be explored. The discussion of applications will focus on utilizing the interesting behaviors explored in the dissertation. Of particular interest will be applications of nanoparticles and nanocrystalline materials to coatings, radiation resistance and super-plastic materials. / text

An understanding of the mechanical properties of viral capsids (protein assemblies forming shell containers) has become necessary as their perceived use as nano-materials for targeted drug delivery. In this thesis, a heterogeneous, spatially detailed model of the viral capsid is considered. This model takes into account the increased degrees of freedom between the capsomers (capsid sub-structures) and the interactions between them to better reflect their deformation properties. A spatially realistic finite element multi-domain decomposition of viral capsid shells is also generated from atomistic PDB (Protein Data Bank) information, and non-linear continuum elastic simulations are performed. These results are compared to homogeneous shell simulation re- sults to bring out the importance of non-homogenous material properties in determining the deformation of the capsid. Finally, multiscale methods in structural analysis are reviewed to study their potential application to the study of nanoindentation of viral capsids. / text

Metallic materials play important roles in providing electrical, thermal, and mechanical functions in electronic devices and systems. The understanding of the electrical-thermal-mechanical interaction caused by the passage of electric current with high density is important to improve the performance and reliability of electronic assembly and packaging. The electromechanical interaction on the deformation behavior of copper and tin is studied in this work. The electromechanical response of Cu strips was studied by passing a DC electric current. The electric resistance linearly increased with time before the occurrence of electric fusing. The electrothermal interaction led to the buckling of the Cu strips with the maximum deflection increasing with the increase of the electric current density. The total strain was found to be proportional to the square of the electric current density. A power law relation was used to describe the dependence of the time-to-fusing on the electric current density. Using the nanoindentation technique, the effect of electric current on the indentation deformation of copper and tin was studied. The reduced contact modulus of copper and tin decreased with increasing the electric current density. With the passage of a DC electric current, the indentation hardness of copper increased slightly with increasing electric current density. With the passage of an AC electric current, the indentation hardness of copper decreased with increasing the indentation deformation. With the passage of a DC electric current, the indentation hardness of tin decreased with increasing the indentation load, showing the normal indentation size effect. Both the limit of infinite depth and the characteristic length were dependent on the electric current density. Using the tensile creep technique, the creep deformation of pure tin was studied with the passage of a DC electric current. The steady state creep rate increased with the increase in temperature, tensile stress and electrical current density. For the same tensile stress and the same chamber temperature, the steady state creep rate increased linearly with the square of the electric current density. The electric current density has no significant effect on the stress exponent and activation energy of the tensile creep of tin for the experimental conditions.