WC-Co cutting tools are widely used in the machining industry. The application of diamond coatings on the surfaces of the tools would prolong the cutting lifetime and improves the manufacturing efficiency. However, direct chemical vapor deposition (CVD) of diamond coatings on WC-Co suffer from severe premature adhesion failure due to interfacial graphitization induced by the binder phase Co. In this research, a combination of hydrochloric acid (HCl) and hydrogen (H2) plasma pretreatments and a novel double interlayer of carbide forming element (CFE)/Al were developed to enhance diamond nucleation and adhesion. The results showed that both the pretreatments and interlayers were effective in forming continuous and adhesive nanocrystalline diamond coatings. The method is a promising replacement of the hazardous Murakami's regent currently used in WC-Co pretreatment with a more environmental friendly approach.<p> Apart from coatings, diamond can be fabricated into other forms of nanostructures, such as nanotips. In this work, it was demonstrated that oriented diamond nanotip arrays can be fabricated by ion beam etching of as-grown CVD diamond. The orientation of diamond nanotips can be controlled by adjusting the direction of incident ion beam. This method overcomes the limits of other techniques in producing nanotip arrays on large areas with controlled orientation. Oriented diamond nano-tip arrays have been used to produce anisotropic frictional surface, which is successfully used in ultra-precision positioning systems.<p> Diamond-like carbon (DLC) has many properties comparable to diamond. In this thesis, the preparation of á-C:H thin films by end-Hall (EH) ion source and the effects of ion energy and nitrogen doping on the microstructure and mechanical properties of the as-deposited thin films were investigated. The results have demonstrated that smooth and uniform á-C:H and á-C:H:N films with large area and reasonably high hardness and Youngs modulus can be synthesized by EH ion source with a low ion energy. The EH ion beam deposition of carbon-based thin films have potential applications such as protective coatings on high capacity magnetic memory disk, for which coating uniformity and smoothness cannot be achieved by the traditional sputtering methods.

Amorphous, hydrogenated carbon films (a-C:H) have been prepared in a PECVD device from methane and ethine as the source gases.The aim was to deposit films at high growth rates while keeping high hardness (25 ± 3 GPa). Hardness, hydrogen content and surface roughness were investigated dependent on the process conditions. Further investigation showed, that the mechanical properties of the a-C:H films are determined by the energy of the ions and the ratio between the film forming ion and the film forming neutral fluxes. On the basis of the collected data the optimal deposition conditions were determined and suggestions for further improvement of the deposition were made. / Amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) wurden mittels PECVD-Verfahren abgeschieden, wobei Methan und Ethin als Quellgase verwendet wurde. Ziel war dabei die Abscheidung der Schichten mit hohen Aufwachsraten unter Beibehaltung hoher Härten (25 ± 3 GPa). Härte, Wasserstoffgehalt und Oberflächenrauhigkeit der Schichten wurden in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen untersucht. Weitere Untersuchungen zeigten, daß die mechanischen Eigenschaften der a-C:H Schichten von der Energie der Ionen und dem Verhältnis der schichtbildenden Ionen- und Neutralteilchenflüsse bestimmt werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten können die optimalen Abscheidebedingungen festgelegt, und Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Schichtabscheidung gemacht werden.

Dans ces travaux de recherche nous avons cherché à développer et optimiser un procédé d'oxydation avancée dédié au traitement de l'eau. Pour cela, nous avons développé un procédé combinant la génération de radicaux hydroxyles par décharge plasma à pression atmosphérique et un catalyseur fixe. L'originalité de ce travail a été d'utiliser un système d'écoulement permettant l'obtention d'un film liquide (épaisseur<1mm) afin de permettre une interaction entre le plasma, le liquide et la surface catalytique. Les résultats ont montré que l'utilisation d'une décharge de type DBD était préférable au Glidarc, thermique, énergétique et produisant trop de NOx. Les valeurs d'efficacité respectives étaient de 0,67g.kWh-1 pour la DBD et 0,23g.kWh-1 pour le Glidarc. Les résultats ont également montré que le matériau de la contre-électrode/plaque d'écoulement pouvait influencer l'efficacité du procédé. Ainsi dans le cas du laiton, la présence de réactions de corrosion produisant des NO2- réduit l'efficacité de moitié comparée à une plaque d'acier. Le développement d'un modèle CFD 1D à partir des données expérimentales du procédé a été effectué. Ce modèle a permis d'estimer que l'efficacité énergétique de production des HO est de 4,4.10-9 molHO.J-1 pour la décharge DBD. Il a également permis de montrer que le facteur majoritairement limitant était la diffusion moléculaire des espèces dans le liquide. En effet les réactions chimiques ne dure pas plus de 1µs après l'impact du streamer et n'ont lieu que dans les premiers 5% d'épaisseur de liquide. Enfin, un dépôt catalytique de DLC dopé à l'argent et réalisé par rf-PECVD a permis d'améliorer de près de 10% l'efficacité maximale du procédé.

La nano-impression est une technique de lithographie qui consiste à reproduire les motifs contenus dans un moule, par pressage de celui-ci sur un film de résine. Cette technologie – rapide et peu coûteuse à mettre en oeuvre – est prometteuse mais son utilisation à l’échelle industrielle nécessite encore des améliorations notamment en termes de limitation de la défectivité des motifs reproduits. Des solutions existent pour pallier cette limitation, à travers notamment l’utilisation de traitements antiadhésifs qui se greffent en surface des moules et permettent de favoriser les étapes de démoulage. Cependant, ces traitements de moules ont une durée de vie limitée, ce qui limite la rentabilité globale du procédé de nano-impression.Ce projet de thèse s’intéresse à la question de la durabilité des moules et propose des matériaux alternatifs pour la fabrication de moules de nano-impression.Pour répondre aux exigences des acteurs de la nano-impressions, quatre matériaux (le Diamond-like carbon, le carbure de silicium et leurs versions dopées en fluor) ont été développés pour une utilisation en tant que matériaux de moules alternatifs au silicium et au quartz. La caractérisation des propriétés physiques et physico-chimiques a été réalisée de sorte à sélectionner les matériaux les plus prometteurs qui ont ensuite été structurés pour une utilisation en tant que moules fonctionnels.Les propriétés d’adhérence de ces matériaux ont ensuite été caractérisées tant en nano-impression assistée par ultraviolets qu’en nano-impression thermique. Ces essais ont permis de montrer que les matériaux développés, malgré une grande énergie de surface, présentent intrinsèquement un caractère antiadhésif lié à leur inertie chimique. / Nanoimprint is a lithography technology which consists in structuring a polymer film by pressing a structured mold into it. This promising method is low-cost and has a high throughput, but its implementation in industry still requires improvements, particularly regarding the defectivity of imprinted structures. To circumvent this defectivity, the use of antiadhesive treatments, grafted to the mold surface has been developed to facilitate the demolding step. However, these treatments have a limited lifespan, thereby empeding the global nanoimprint cost-effectiveness.This thesis focuses on mold durability and suggests alternative materials for the fabrication of nanoimprint molds.To match nanoimprint requirements, four materials (Diamond-like carbon, Silicon carbide and their fluorine-doped versions) were developed to be used as alternatives to silicon and quartz. Physical and physico-chemical characterization were carried out, so as to determine the best candidates that were then patterned, leading to usable molds.Adhesion properties of these materials were then characterized both in UV-nanoimprint and thermal-nanoimprint procedures. These investigations showed that despite their high surface energies, the developed materials exhibit intrinsically antiadhesive properties, thanks to their chemical inertness.

Magister Chirurgiae Dentium / Dental implants are artificial fixtures that are surgically inserted into the jaws to replace missing teeth. The success of dental implant treatment is dependent on achieving successful osseointegration (Branemark et al. 2001). Drills used for implant site preparation are made of different materials such as stainless steel (SS), zirconia and ceramic. Most of them do not have sufficient cutting efficiency and wear resistance (Oliveira et al. 2012). Recently diamond-like carbon coating (DLC) has been added as a drill coating to increase the cutting efficiency, increase wear resistance and drill hardness (Batista Mends et al. 2014).

Experiments with polarized "ultracold neutrons" (UCN) offer a new way to measure the decay correlations of neutron beta decay; these correlations can be used to test the completeness of the Standard Model and predict physics beyond it. Ultracold neutrons are very low energy neutrons that can be trapped inside of material and magnetic bottles. The decay correlations in combination with the neutron and muon lifetimes experimentally find the first element (Vud) of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) quark mixing matrix. The CKM matrix is a unitary transform between the mass and weak eigenstates of the d, s and b quarks; if the matrix is not unitary this would imply that the Standard Model is not complete. Currently the first row of the CKM matrix is over 2 sigma from unitarity and Vud is the largest component of the row. The UCNA experiment looks at the correlation between the polarization of the neutron and the momentum of the electron resulting from the beta decay of the neutron (the A-correlation). The keys to making a high precision measurement of A-correlation are a near 100% polarization of the neutrons that decay, low"backscatter electron detectors, and small, well characterized backgrounds. UCN can be 100% polarized by passing them through a seven Telsa magnetic field. The key to the UCNA experiment is keeping them polarized until they decay or are lost. This dissertation covers the development of guides that are minimally depolarizing and efficient transporters of UCN and their use in the UCNA experiment. The entire guide development process is covered from conception to manufacturing and testing. This process includes development of a pulsed laser deposition, diamond-like carbon coating system and materials studies of the resulting coatings. After the initial studies of the guide coating, meter"long sections of guide are tested with UCN to determine their depolarization and transport properties. The guide technology developed in this dissertation has been used in the entire UCNA experiment. Also, this technology is currently the state of the art for polarized and non-polarized UCN guide systems and it is being implemented in several new UCN experiments. / Ph. D.

Ce mémoire concerne l'élaboration de couches minces par ablation laser femtoseconde (Pulsed Laser Deposition, PLD) et la caractérisation du panache plasma. Les résultats obtenus pour le dépôt de couches minces de Diamond-Like Carbon (DLC) sont présentés avec l'objectif de déposer des couches à grande dureté et faible coefficient de frottement, avec de bonnes propriétés d'adhérence sur divers substrats d'intérêt biomédical. Des couches minces ont pu être déposées avec succès sur une tête fémorale de prothèse de hanche. Les propriétés des DLC élaborés par PLD femtoseconde et nanoseconde PLD ont été comparées au travers des propriétés optiques des films et d'une caractérisation du plasma.<br>Des nanoparticules ont été déposées par PLD femtoseconde, et incluses dans une matrice DLC. Des films de DLC dopés au nickel ou tantale (en raison de leur différente affinité chimique avec le carbone) ont été synthétisés. Deux différentes phases cristallines sont obtenues dans le cas du DLC dope Ta, avec la présence surprenante d'une phase métastable β-Ta, qui est corrélée aux propriétés du plasma. La présence de carbure de tantale est également mise en évidence sur les bords des clusters de tantale.<br> Les films de DLC pur et de DLC dopé aux métaux sont caractérisés pour l'application aux électrodes pour biocapteurs, avec une sensibilité élevée et une faible limite de détection. L'optimisation avec l'incorporation d'un autre dopant, tel que le bore est discutée.<br> La possibilité d'utiliser ces couches de DLC dopé au bore pour des capteurs thermiques et nanocalorimétriques est étudiée dans le cadre d'un projet ANR. Les thermomètres à base de DLC avec un fort TCR (Coefficient de Température de Resistance) sont intégrés dans des structures suspendues, et montrent de bonnes propriétés.<br> Dans la dernière partie de ce mémoire, les perspectives envisagées pour ce travail sont présentées, avec l'introduction d'une mise en forme temporelle de l'impulsion laser femtoseconde et d'une boucle adaptative d'optimisation. Ces premiers travaux mettent bien en évidence les potentialités de cette technique, pour le dépôt couches minces et la synthèse de nanoparticules, permettant un contrôle de la nature et de l'énergie cinétique des particules du plasma. La suite de ce travail envisage donc de mieux comprendre les effets d'une mise en forme temporelle de l'impulsion laser femtoseconde sur les propriétés des produits d'ablation et donc des couches minces élaborées.

Ce travail concerne l'étude de couches minces de " Diamond-Like Carbon " dopés au bore élaborées par ablation laser femtoseconde et nanoseconde. Un des objectifs de cette étude est d'identifier les applications potentielles de ces films en tant qu'élément actif de capteur (par exemple de température). Le deuxième objectif est de corréler la structure et les propriétés des films minces obtenus avec les procédés de dépôt employés. Le premier chapitre présente les éléments constitutifs des couches minces étudiées : le bore et le carbone. Ce chapitre propose également un état de l'art sur les films de DLC purs et dopés et les méthodes d'élaboration existantes. Le deuxième chapitre traite des méthodes expérimentales adoptées pour l'élaboration et l'étude des films. Le troisième chapitre traite des différentes caractérisations structurales et morphologiques réalisées. Il met en avant la nette différence de structure des films obtenus par les deux procédés de dépôt. De plus, il met en évidence la modification structurale due au bore. Le quatrième chapitre présente l'étude des propriétés électriques et mécaniques, ainsi que du comportement tribologique des films. La différence de structure des couches se traduit par de grandes différences de résistivité mais affecte peu le coefficient de frottement. Le dernier chapitre met en évidence l'hétérogénéité structurale des films de DLC purs et se focalise notamment sur les particularités de leur extrême surface. Celle-ci se révèle moins dense et plus conductrice que le reste du film.

Le groupe HEF (Hydromécanique Et Frottements), premier équipementier et façonnier français en traitements de surface par plasmas hors microélectronique, utilise dans ses procédés industriels des sources plasma micro-onde multi-dipolaires fonctionnant sur le principe de la résonance cyclotronique électronique pour la réalisation de dépôts de type DLC par PACVD, et pour l'assistance ionique à la croissance de couches CrN par pulvérisation magnétron réactive. Suite à la présentation de l'utilisation de ces sources pour des dépôts de DLC et des ajustements nécessaires pour leur mise en œuvre industrielle, les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles sources plasma micro-onde en vue d'améliorer l'uniformité des traitements de surface dans le volume du réacteur ainsi que la productivité des réacteurs plasma pour le dépôt de ces couches. Les résultats obtenus sont intéressants puisque le développement d'une source étendue a permis d'augmenter la vitesse de dépôt des couches DLC sans dégradation des propriétés mécaniques et d'obtenir une uniformité similaire à celle obtenue avec les sources multi-dipolaires en utilisant deux fois moins d'applicateurs micro-onde. Les réflexions portant sur l'amorçage du plasma ont permis d'identifier les voies d'amélioration de cette source pour valider son utilisation en milieu industriel. L'utilisation de cette source étendue pour l'assistance ionique à la croissance de couches telles que le nitrure de chrome CrN par pulvérisation magnétron réactive a démontré un potentiel intéressant en termes de propriétés mécaniques obtenues et a permis d'identifier des axes de développement de cette configuration.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Lately, we have witnessed a growing concern about determining energy consumption and pollutant emissions. Large part of the energy spent is directly related to the friction and wear. Likewise, there a growing demand for production of mechanical systems of high efficiency. To develop systems that are more economical, noiseless and not harmful to the environment, there is a limit imposed by materials and conventional surface treatment. Thus, critical tribological contacts and possible new materials have been intensively investigated. Solid lubrication and solid lubricants are emerging as a promising alternative to control friction and wear in mechanical systems modern. The use of multifunctional coatings have been studied and used in modern mechanical systems, so that the final properties depend on the system composed of substrate - coating - environment. This study aims to optimize the thickness of multifunctional coatings with potential for use in mechanical systems of high efficiency, particularly on soft substrates. The aim is an optimization using the principles of contact mechanics, together with strength criteria to analyse stress and strain. Efficient techniques to characterize the coatings, and powerful simulation tools in the stress analysis of multifunctional coatings were used. The results showed that the thickness of the coating plays an important role on coating properties. / Ultimamente, tem-se presenciado uma preocupação cada vez mais determinante quanto ao consumo energético e emissões de poluentes. Grande parte da energia gasta está relacionada diretamente com o atrito e o desgaste. Há igualmente uma demanda crescente por produção de sistemas mecânicos de alta eficiência, mas, também, para desenvolver sistemas cada vez mais econômicos, silenciosos e não prejudiciais ao meio ambiente, havendo um limite imposto por materiais e tratamento de superfícies convencionais. Assim, a tribologia de contatos críticos e possíveis novos materiais estão sendo amplamente pesquisados. A lubrificação sólida e lubrificantes sólidos estão aparecendo como uma alternativa promissora para controlar o atrito e o desgaste nos sistemas mecânicos modernos. A utilização de revestimentos multifuncionais tem sido estudada e aplicada nos sistemas mecânicos modernos, de modo que as propriedades finais resultantes sejam dependentes do sistema substrato-revestimento-ambiente. O presente trabalho busca a otimização de tribo revestimentos multifuncionais com potencial para a aplicação em sistemas mecânicos de alta eficiência, particularmente sobre substratos macios. Busca-se essa otimização por meio da análise de tensões e deformações, as quais são compreendidas através do princípio da mecânica do contato, juntamente com os critérios de resistência. Usam-se técnicas de caracterização de revestimentos amplamente usadas e eficientes, como também ferramentas de simulação poderosas na análise de tensões de revestimentos multifuncionais. Os resultados demonstram que a espessura do revestimento tem um papel importante na origem das propriedades do revestimento. / Doutor em Engenharia Mecânica