Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Sciences physiques : Lille 1 : 2005. / Synthèse des travaux en français. Recueil de publications en anglais non reproduit dans la version électronique. N° d'ordre (Lille 1) : 472. Résumé. Curriculum vitae. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque partie. Liste des publications et des communications.

La nano-structuration des surfaces est un intrigant domaine de la physique des matériaux que l'homme s'est approprié aussi bien à des fins esthétiques que fonctionnelles. Les nanostructures peuvent être présentes à l'état naturel (effet déperlant de la feuille de lotus) ou à l'état artificiel pour répondre à des besoins techniques et peuvent alors être fabriquées par lithographie. Le procédé étudié dans cette thèse est la nanoimpression thermique qui permet de répliquer à moindre coût les micro- et nanostructures d'un moule vers la surface d'un substrat. Ce procédé d'embossage consiste à imprimer le moule dans un film mince de polymère thermoplastique (50 à 500 nm d'épaisseur) préalablement déposé sur le substrat. Eventuellement, une étape ultérieure de gravure permet de transférer dans ce dernier les motifs imprimés. On s'intéresse en particulier à l'évaluation des vitesses d'impression des structures dans des films de polystyrène sur substrat de silicium. Un logiciel de simulation numérique a été développé ; il utilise la méthode des éléments naturels contraints (C-NEM). L'accent a été mis sur la prise en compte de trois effets éminemment importants à l'échelle nanométrique : tension de surface, mouillage, glissement à l'interface fluide-solide. Combiné à un comportement visqueux non linéaire, cela permet de rendre partiellement compte des phénomènes physiques qui surviennent lors de l'impression et d'avoir des temps de simulation compatibles avec les contraintes industrielles tout en conservant une évaluation pertinente des vitesses d'impression. Cette démarche nous place à mi-chemin entre des modèles analytiques très simples mais ayant un cadre d'utilisation très restreint et des modèles plus complexes trop onéreux pour la simulation, comme la viscoélasticité en grandes transformations. Ces travaux abordent enfin le problème de la caractérisation du polymère à l'échelle des films minces. Un des défis majeurs relevés ici consistait à appliquer à des films minces le comportement du polymère caractérisé à l'échelle macroscopique. La validation expérimentale de toute la théorie élaborée a permis d'appuyer cette démarche et d'en révéler les limites. Ces approches théorique et expérimentale sont un premier pas vers la conception d'un outil numérique d'optimisation de la nanoimpression thermique.

Les bétons autoplaçants (BAP) représentent une technologie émergente basée sur la fluidité du matériau et l'élimination de la vibration pour leur mise en place. Les avantages des BAP sont une réduction remarquable du temps de coulée, une plus grande facilité à remplir des éléments structuraux fortement armés, une réduction de l'effort physique, une élimination des vibrations et du bruit, une amélioration de la qualité de la surface et une confection de produits de béton de meilleure qualité. Un approvisionnement inadéquat ou interrompu du BAP lors d'une coulée dans des environnements chauds et secs ou dans des coffrages volumineux ou encore lorsque le béton est retenu peut causer des plans de faiblesses. Certains BAP ont des propriétés thixotropiques et peuvent ainsi être mis en place sur un béton qui a figé mais qui n'a pas commencé sa prise initiale. Ce type de coulée est appelée [i.e. appelé] coulée multi-couches. Dans ces cas problématiques, l'ACI (237R-07) recommande d'utiliser un vibrateur externe ou interne pour une durée de 2 à 3 secondes afin d'annuler la formation de ces lignes de bétonnage. La recherche s'intéresse à assimiler le savoir existant, effectuer des recommandations et de définir des modèles pour le lien entre 2 couches successives de BAP. Un programme expérimental a été entrepris à l'Université de Sherbrooke pour évaluer la perméabilité à l'eau et le lien résiduel entre 2 couches par des essais de flexion et de cisaillements obliques et directs pour des coulées multicouches. De plus, l'effet de la vibration de la couche ancienne de béton avant de couler la nouvelle sur le lien résiduel entre ces 2 couches a été étudiée par des essais de cisaillement direct sur le BAP durci. Huit mélanges de BAP ont été élaborés avec des niveaux différents d'ouvrabilité et de thixotropie et ont permis de couler les corps d'épreuve prismatiques. Les essais pour déterminer le lien résiduel et la perméabilité à l'eau ont été réalisés après 7 et 28 jours de cure humide respectivement après la mise en place du béton. L'ouvrabilité a été évaluée à l'aide des essais d'étalement simple, d'étalement au J-ring et du T50. La thixotropie a été mesurée avec le rhéomètre MK-III modifié, le scissomètre et le plan incliné. Le temps d'attente entre la coulée de 2 couches successives se situe entre 0 et 60 minutes. En général, les résultats obtenus montrent que la perte d'ouvrabilité, le niveau de thixotropie et le temps d'attente ont des effets néfastes sur la performance des coulées multicouches avec des BAP, cependant le temps d'attente a un plus grand impact que les 2 autres paramètres. Les problèmes rencontrés dans les coulées multicouches ont plus d'impact sur les propriétés de transport du béton que sur ses propriétés mécaniques. La recommandation de l'ACI citée auparavant n'est pas valide pour tous les types de BAP parce que la durée de la vibration est fonction du temps d'attente entre 2 couches et de la thixotropie ou du niveau d'ouvrabilité du béton. De bonnes corrélations ont été établies entre l'ouvrabilité et la thixotropie. Une amélioration de la qualité de surface est généralement obtenue avec des propriétés rhéologiques contrôlées et un très faible ressuage. Des BAP avec des hauts seuils de cisaillement peuvent conduire à la présence de bulles d'air à la surface du béton durci. Une viscosité plastique faible peut être associée à de la ségrégation surtout lors de la coulée d'éléments profonds. Il est très important de contrôler l'ouvrabilité du béton en fonction du temps car une perte d'ouvrabilité peut provoquer une faible habileté au remplissage et à des défauts de surface. Ces défauts peuvent apparaître suite à l'effet de retardateur du superplastifiant et/ou des températures faibles lors de la coulée. Durant ce temps de prise retardé, le béton peut ségréger ou ressuer, ainsi l'eau interstitielle peut migrer à la surface du moule, où elle peut produire des bulles d'air ou des sillons. La chute libre des mélanges autoplaçants à l'intérieur de murs, colonnes et autres sections profondes peut entraîner de l'air dans le béton. Le déversement vertical du BAP directement sur du béton déjà coulé peut produire un vortex du nouveau béton à l'intérieur de l'ancien, entraînant avec lui une quantité significative d'air qui sera piégée à l'interface. Le programme expérimental s'intéresse également à l'acquisition du savoir, la rédaction de recommandations et la mise au point de modèles reliés à la qualité de surface des BAP. Un programme expérimental a été entrepris à l'Universite de Sherbrooke pour évaluer la qualité de surface et la teinte des BAP. Une nouvelle technique a été développée pour détecter les défauts présents à la surface coffrée comme les bulles d'air ou des traces de ségrégation en utilisant les logiciels AutoCAD et ENVI 4.5. L'essai du Z-test avec différentes orientations des surfaces fut élaboré en considérant plusieurs matériaux de coffrage : contreplaqué, acier, géotextile, plexiglas et un matériau perméable. Le Z-test mesure 1400 mm de hauteur. Son avantage est de pouvoir étudier l'orientation et la nature des coffrages ainsi que la chute libre lors de la coulée. Pour cette étude, 32 mélanges de BAP ont été réalisés avec des propriétés rhéologiques différentes afin de couler des éléments de Z-test et d'étudier l'influence de la rhéologie du matériau sur la qualité de surface du produit fini. Le comportement rhéologique a été défini à l'aide du rhéomètre ICAR. En général, les résultats obtenus montrent que pour avoir une qualité de surface acceptable et une ségrégation et un ressuage faibles, le seuil de cisaillement et la viscosité plastique doivent être maintenus respectivement entre 0-50 Pa et 10-30 Pa.s, et la hauteur de chute libre doit être réduite pour minimiser la taille et le nombre des bulles d'air. De plus, les coffrages perméables sont recommandés pour éliminer complètement les bulles d'air sur les surfaces coffrées et pour annuler toute influence du ressuage sur la qualité de surface des BAP. L'influence des paramètres de formulation sur l'ouvrabilité, la thixotropie et la rhéologie des BAP a également été abordée dans cette étude. Ces paramètres sont E/L en masse, S/A en volume, la teneur en liant, et la valeur initiale de l'étalement.

L'objectif de cette thèse est d'établir les liens entre élaboration, microstructure et comportement des getters non-évaporables (NEG) en couches minces, en vue de leur utilisation dans le cadre du packaging collectif des MEMS sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Après une étude bibliographique sur l'herméticité des MEMS et l'effet getter, la modification du comportement de piégeage de gaz par les NEG couches minces, engendré par l'ajout de sous-couches métalliques, est mise en évidence. Afin d'expliquer cette influence, la microstructure des couches minces est étudiée, notamment sa dépendance aux paramètres d'élaboration et aux traitements thermiques. Ensuite, le comportement macroscopique de piégeage de l'azote est caractérisé, de même que les mécanismes microscopiques d'activation et de pompage. Ces derniers permettent finalement d'élaborer quelques recommandations pour l'intégration des NEG couches minces dans les MEMS.

Fabriquer des dispositifs microélectroniques en utilisant des technologies d'intégration 3D nécessite une connaissance approfondie des problématiques mécaniques. En effet, les matériaux intégrés ont des propriétés thermomécaniques variées et sont déposés en couches minces sur un substrat aminci afin de pouvoir réaliser les interconnexions. Cette configuration nécessite un contrôle strict du niveau de déformation et de contrainte des dispositifs durant leur fabrication, afin de garantir leur intégrité. L'objectif de ce travail de thèse est d'exploiter les techniques de caractérisation disponibles au LETI, et de les associer à des outils de modélisation pour répondre à cette problématique. Ce couplage permet de contrôler le comportement mécanique d'un empilement complexe à chaque étape de sa fabrication. Les techniques expérimentales employées sont non destructives. Les outils de modélisation prennent en compte les propriétés élastiques et thermiques de chaque matériau de l'empilement, ainsi que les déformations intrinsèques engendrées par les étapes de dépôt de chaque couche. Des méthodologies couplées ont été développées afin de déterminer ces données d'entrée. A partir d'une base de données matériaux, un outil de prédiction du comportement mécanique d'un assemblage multicouches a été développé et validé expérimentalement. Il permet de prédire le niveau de déformation et de contrainte de l'empilement. Les prédictions mécaniques permettent d'orienter le choix des matériaux à intégrer afin d'améliorer l'intégrité des dispositifs et d'optimiser leur fabrication. Elles permettent également d'anticiper les problèmes de fiabilité provoqués à plus long terme par des contraintes et déformations trop élevées.

Le collage direct consiste en la mise en contact de deux surfaces suffisamment lisses et propres pour créer une adhérence entre-elles, et ce sans apport de matière à l'interface des matériaux. Ce procédé est réalisable à l'échelle industrielle et compatible avec les procédés de la microélectronique. Il trouve son principal intérêt dans la réalisation de substrats innovants. Le plus célèbre d'entre eux est le substrat SOI (pour " Silicon On Insulator "). Depuis quelques années, une nouvelle voie s'est ouverte dans le collage direct en l'élargissant au collage de couches métalliques ce qui permet de répondre à de nouvelles applications en offrant par exemple conduction électrique et dissipation thermique. Ce travail de thèse a pour objectif d'analyser le comportement du collage direct de couches métalliques et de poser les premiers éléments de modélisation. La compréhension de ces fondamentaux est indispensable pour optimiser le procédé et permettre une intégration de cette technologie dans un grand nombre de dispositifs. Dans cette étude, des procédés de collage direct de couches de tungstène et de titane ont été développés à la lumière des pré-requis établis pour le collage direct. La caractérisation physico-chimique des interfaces de collage et de leur évolution en température ont permis de mettre en évidence le rôle clé de l'oxyde métallique. Il est montré que les mécanismes de collage sont gouvernés par des phénomènes de diffusion aux joints de grains et par l'instabilité de la couche d'oxyde piégée à l'interface de collage. Par ailleurs, les propriétés mécaniques et électriques des interfaces ont été étudiées. Enfin, la compréhension du comportement des interfaces en fonction de certains paramètres conduit à quelques recommandations pour réussir l'intégration du collage direct métallique.

Les piles à combustibles sont une alternative à l'utilisation de ressources fossiles. Cependant, l'énergie qu'elles produisent reste chère et les procédés de fabrication actuels ne sont pas adaptés à des productions à grande échelle. Une piles de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) essont un système constitué de cinq couches dans lequel la membrane et les deux couches de diffusion peuvent être considértestées comme support d'impression et les deux couches actives peuvent être imprimées par des procédés continus.Ce travail démontrea la pertinence du procédé d'impression appelé flexographiquee dans la fabrication de composants de PEMFC. La flexographieCe procédé offre permet de produire de grandes surfaces de production avec peu de perte de matière fonctionnelle. Malgré la faible imprimabilité des supports choisis, elle permit la fabrication des couches actives aux performances similaires à celles fabriquéesites par procédés conventionnels ont pu être réalisées grâce à la flexogaphie.

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Élaborer et optimiser des nouveaux matériaux restent toujours parmi les enjeux liés à l'amélioration de la performance de la durabilité des matériaux.Le domaine des traitements de surface et plus particulièrement les nanotechnologies utilisées pour produire des revêtements en couches minces plus précisément les dépôts physiques en phase vapeur (PVD), permet de synthétiser des nouveaux matériaux qui peuvent résister dans des conditions sévères de diverses applications.L'industrie des outils de coupe et plus précisément le bois dans notre cas, nécessitent de plus en plus la synthèse des nouveaux matériaux et nanomatériaux pour améliorer la tenue en service des outils de coupe.L'objectif de ce présent travail est de développer et caractériser des revêtements dont le matériau de base est le chrome et/ou le silicium en vue de les optimiser. L'élaboration a été réalisée par différentes méthodes à savoir la pulvérisation cathodique magnétron radio fréquence ou encore en mode courant direct. En outre, la RGPP (reactive gas pulsing process) a été exploité pour la première fois dans ce travail dont le but est de surmonter les difficultés rencontrées avec la pulvérisation réactive.Les différentes caractéristiques mécaniques et tribologiques des couches ont été étudiées et corrélées avec les caractéristiques physicochimiques et microstructurales.Il s'avère que la pulvérisation cathodique en mode courant direct prouve son importance par l'obtention des couches de meilleure qualité que celles obtenues en mode radio fréquence. Pour des contenus d'azote similaires on obtient des propriétés mécaniques et tribologiques plus importantes. On note que les propriétés mécaniques réalisent un gain de 60 % par rapport à celles obtenues en mode RF. En outre l'ajustement des paramètres de la méthode RGPP (le rapport cyclique et la période des pulses) influe considérablement les caractéristiques des couches obtenues et on montre une amélioration de la performance des couches. A l'issue de l'injection pulsée du gaz réactif, on montre que l'alternance entre l'ouverture et la coupure de la vanne du gaz réactif est indispensable pour la déposition dans un milieu réactif afin d'éliminer les composés métalliques sur les cibles obtenus lors de dépôt.Enfin, l'ajout de silicium au CrN mène à obtenir des solutions solides ou une structure nanocomposite selon la teneur de silicium dans la couche ce qui implique une amélioration des caractéristiques mécaniques et par la suite celles tribologiques.L'apport de ce travail de thèse est de présenter une étude globale sur la performance des couches CrN et CrSiN en corrélant ses caractéristiques mécaniques et tribologiques avec les paramètres physiques de dépôt et en adoptant plusieurs méthodes d'élaboration.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [85]-86. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.