In dieser Arbeit sollte eine Derivatisierungsmethode entwickelt werden, die die duale Quantifizierung funktioneller Gruppen an Oberflächen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Fluoreszenz ermöglicht. Verschiedene Farbstoffe, die robuste Fluoreszenzeigenschaften mit hohen Fluorgehalten für XPS kombinieren, wurden auf ihre selektive Reaktion mit Aminogruppen getestet und der Prototyp einer tiefergehenden Analyse auf einer Oberfläche unterzogen. Durch Fluoreszenzlöschung konnten die Möglichkeiten der bimodalen Analyse nur begrenzt abgeschätzt werden, obwohl in XPS und Fluoreszenz intensive Signale gemessen wurden. Die Herstellung der Modelloberflächen mittels Gasphasenabscheidung von Silanen konnte durch Kontaktwinkelmessungen schrittweise optimiert werden. Die Kombination zweier Monoalkoxysilane ermöglichte die Herstellung von Oberflächen mit variabler Funktionalgruppendichte. Nach Reaktion mit dem dualen Marker ließen sich die Messungen aus XPS und Fluoreszenz mindestens über eine Größenordnung korrelieren. Durch Synchrotron-XPS (SR-XPS) und Röntgenfluoreszenz unter Totalreflektion (TXRF) konnte eine absolute und rückführbare Quantifizierung erzielt werden. Weitere Modelloberflächen auf Basis von Trialkoxysilanen zeigten, dass bei anwendungsnahen Proben Fluoreszenzlöschung auftritt. Diese konnte in einem gewissen Maße mittels Fluoreszenzlebensdauer berechnet werden. Darüberhinaus konnte mit der Photometrie eine unabhängige Methode gefunden werden, die die Quantifizierung des Farbstoffs an der Oberfläche in hoher Präzision ermöglicht und mit Hilfe der XPS auch der funtionellen Gruppen. Die Cavity Ring-Down Spektroskopie (CRDS) wurde als Laserbasierte Methode zur empfindlichen und ortsaufgelösten Messung der Absorption auf transparenten Substraten untersucht und erste vielversprechende Ergebnisse gewonnen. Weiterhin wurde ein modulares Farbstoffsystem entwickelt, das sowohl Variation der spektralen als auch der Bindungseigenschaften erlaubt. / This work aimed on the development of dual-mode labelling method that combines X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) with fluorescence measurements for surface functional group quantification. Label dyes combining robust fluorescence properties with high fluorine contents were investigated towards their selective reaction with surface amino groups and the lead candidate subjected to detailed analysis on a surface. Fluorescence quenching precluded a detailed investigation of the capabilities of dual-mode labelling, despite providing sufficient signal in XPS and fluorescence scanning. The fabrication of surfaces using vapour deposition (VD) of silanes in toluene was optimized under aid of contact angle measurements. Binary mixtures of mono-alkoxy silanes were used to prepare surfaces with variable functional group density. Treatment with the label dye showed that XPS and fluorescence provide a linear overlap in signal generation over at least one order of magnitude. The combination of synchrotron radiation XPS (SR-XPS) and total reflection X-ray fluorescence spectroscopy (TXRF) provided an absolute and traceable quantification . Different model surfaces based on trialkoxy silanes showed strong fluorescence quenching. A fluorescence lifetime based correction was developed to account for such quenching effects. Additionally, the application of spectrophotometry provided a independent method of quantification for the surface bound dye and in combination with information obtained from XPS, to determine the surface functional group density. With cavity ring-down spectroscopy (CRDS), a laser based technique for highly sensitive and spatially resolved absorption measurements on transparent substrates could be developed and applied in a proof-of-concept. A modular system for the fabrication of label dyes with adjustable spectral properties and different binding sites was investigated using prototype candidates to prove the general applicability of such systems.

Les alliages de titane β-métastables comme le Ti-10V-2Fe-3Al se substituent progressivement aux alliages α/β dans les applications aéronautiques du fait de leur résistance spécifique améliorée. Leurs microstructures d'emploi sont cependant complexes et multi-échelles, constituées d'une matrice β (de grains millimétriques) partiellement transformée en nodules primaires αp (micrométriques) et en lamelles secondaires αs (sub-micrométriques). Les propriétés finales peuvent être très sensibles aux variations locales de microstructures et sont souvent non maîtrisées lors du forgeage de pièces massives. De plus la matrice β qui représente ~40% du volume et qui a un comportement élastique et plastique fortement anisotrope, comme la phase α, complique la compréhension des mécanismes de déformation en jeu. Le premier objectif de cette thèse est de mettre en œuvre des techniques de caractérisation multi-échelles (la diffraction des neutrons, l'imagerie électronique couplée à l'analyse d'image et l'EBSD, la reconstruction des microtextures de haute température β/αp) pour analyser efficacement la microstructure/texture des constituants β/αp/αs et caractériser leurs hétérogénéités au sein de demi-produits et de pièces obtenues par matriçage. Les résultats permettent d'analyser la fragmentation des grains β en sous-grains, les macrozones αp, le maintien de relation d'orientation entre β/αp et l'organisation des lamelles αs en colonies ou paniers tressés, en pointant les différences de taille de domaines révélés par la cristallographie et l'imagerie standard. Le second objectif est d'appliquer cette méthodologie à l'analyse de facies de rupture d'éprouvettes présentant un comportement singulier (en traction ou en fatigue) pour caractériser les configurations microstructurales à l'origine de l'amorçage de fissures. Cette analyse a principalement été réalisée par polissage manuel du faciès couplé à des acquisitions EBSD mais également en exploitant le potentiel de l'imagerie 3D par MEB-FIB (Focus Ion Beam) et la technique TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) sur lame mince prélevée au niveau d'un site d'amorçage par FIB. Enfin, cette étude expérimentale a été complétée par une première approche en simulation micromécanique sur une microstructure modèle 100% β. L'objectif était d'évaluer l'influence de l’anisotropie élastique de la phase β sur la genèse de contraintes d'incompatibilités dans les régimes élastique et élasto-plastique. L'ensemble des résultats contribue à une meilleure compréhension des variations de propriétés mécaniques en lien avec la microstructure locale / The β-metastable titanium alloys such as Ti-10V-2Fe-3Al are gradually replacing α/β alloys in aeronautical applications thanks to their improved specific strength. However, their microstructures are complex and multi-scale, consisting of a β matrix (of millimetric grains) partially transformed into primary αp nodules (micrometric) and secondary αs lamellae (sub-micrometric). The final mechanical properties are very sensitive to local variations of the microstructure, which are not always fully controlled during forging of massive parts. Moreover, the β matrix, which represent 40% of the volume and whose elastic and plastic behavior is strongly anisotropic (like the α phase) complicates the understanding of the mechanisms of deformation. The first objective of this thesis was to efficiently characterize the microstructure/texture of the different constituents (β/αp/αs) and their heterogeneities within half-finished products and forged parts by using techniques of multi-scale characterization (neutron diffraction, electronic imaging coupled with image analysis and EBSD, reconstruction of high temperature microtextures β/αp). As a result the fragmentation of the β grains into subgrains, the αp macrozones, the destruction of the orientation relation between β/αp and the organization of the αs lamellae in colonies or basket weave was quantified and the differences in size of domains revealed by crystallography and by standard imaging were pointed out. The second objective is to apply this methodology to the analysis of fracture surfaces of samples exhibiting singular behavior (in tension or in fatigue) in order to characterize the microstructural configurations leading to early cracking. This analysis was mainly performed by manual polishing coupled with EBSD acquisitions but also by using 3D imaging by SEM-FIB (Focus Ion Beam) and TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) technique on a thin foil FIB-extracted from the crack initiation site. Finally, this experimental study was completed by a micromechanical simulation on a 100% β model microstructure. The objective was to evaluate the influence of the elastic anisotropy of the β phase on the genesis of incompatibility stresses in the elastic and elasto-plastic regimes. The overall results contribute to a better understanding of the variations of mechanical properties related to the local microstructure

Η παρούσα εργασία μελετά τις περιβαλλοντικές και γεωλογικές παραμέτρους στη θέση κατασκευής του νέου λιμένα της πόλης του Αιγίου. Για την μελέτη αυτή, σημαντικό ρόλο έπαιξε η χρήση των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) και ειδικότερα του προγράμματος ArcGIS έκδοση 9, με το οποίο αναλύθηκαν και εκτιμήθηκαν οι διάφορες παράμετροι που επιλέχθησαν, αυξάνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα των μεθοδολογιών και συγκροτώντας ταυτόχρονα μία πολύτιμη τράπεζα δεδομένων για τη θαλάσσια περιοχή κατασκευής του λιμένα. Παρουσιάζονται δηλαδή τα αποτελέσματα μιας θαλάσσιας γεωφυσικής έρευνας που έλαβε χώρα στην παράκτια ζώνη του Αιγίου. Ο σκοπός της είναι διττός καθώς επιχειρείται να δοθούν λύσεις και απαντήσεις σε δύο σημαντικά ερωτήματα: α) στον εντοπισμό των επικινδυνοτήτων της περιοχής και β) στην ποσοτική ανάλυση των γεωφυσικών μεθόδων. Το μέγεθος της εργασίας εκτείνεται σε τέσσερα κεφάλαια στα οποία περιγράφονται αναλυτικά η όλη διαδικασία που ακολουθήθηκε καθώς και τα αποτελέσματα και συμπεράσματα που προέκυψαν για τον πυθμένα του λιμένα, από τις μετρήσεις και αναλύσεις που έγιναν μέσω των τομογραφιών. Πρέπει να τονιστεί ότι αφετηρία για τις οποιεσδήποτε μελέτες έγιναν, αποτέλεσαν οι αρχικοί χάρτες του προγράμματος Autocad καθώς και οι τομογραφίες που είχαν ληφθεί από τον τομογράφο υποδομής πυθμένα 3.5KHz. Έτσι στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μία περιγραφή των γεωφυσικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή θαλάσσιων τεχνικών έργων. Επίσης γίνεται αναφορά στις γεωλογικές και ανθρωπογενείς επικινδυνότητες από τις οποίες επηρεάζεται ο πυθμένας και οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν βλάβες στα τεχνικά έργα μέσω των φορτίων που εξασκούν σε αυτά. Στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται και τα όργανα που χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή των μεθόδων αυτών, όπως είναι οι τομογράφοι, οι ηχοβολιστές πλευρικής σάρωσης και τα κατευθυνόμενα βαθυσκάφη. Το δεύτερο κεφάλαιο της διπλωματικής εργασίας αναφέρεται στη θέση που βρίσκεται η περιοχή που μελετάται και στα γεωλογικά φαινόμενα που χαρακτηρίζουν αυτή. Το τρίτο κεφάλαιο αφορά στις μεθοδολογικές προσεγγίσεις που εφαρμόστηκαν για α) την αποτύπωση της βυθομετρίας και της μορφολογίας του πυθμένα, β) τον προσδιορισμό της υποδομής και του πάχους των σύγχρονων επιφανειακών ιζημάτων, γ) τον υπολογισμό της κλίσης των υποεπιφανειακών στρωμάτων και δ) τον εντοπισμό πιθανών γεωλογικών επικινδυνοτήτων, όπως ρηγμάτων, κατολισθητικών φαινόμενων και αέριων υδρογονανθράκων στου πόρους των ιζημάτων. Επίσης αναφέρεται το μεθοδολογικό σχήμα ανάλυσης και επεξεργασίας των αναλογικών καταγραφών με βάση την ποσοτικοποίηση των αναλογικών καταγραφών του τομογράφου υποδομής πυθμένα και την εφαρμογή της πολυδιάστατης στατιστικής ανάλυση όπως της Παραγοντικής Ανάλυσης (Factor Anlysis) και της ανάλυσης Επιφανειών Τάσης (Trend Surface Analysis). Τέλος, το τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας αυτής, αφορά τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις παραπάνω αναλύσεις. Λαμβάνοντας υπόψη τις επιφανειακές κατανομές της βυθομετρίας τόσο του πυθμένα και των υποεπιφανειακών οριζόντων όσο και των άλλων παραμέτρων που μετρήθηκαν, αλλά και τα αποτελέσματα της παραγοντικής ανάλυσης, επιχειρείται η εξαγωγή συμπερασμάτων για την κατανόηση των όσων αναφέρθηκαν και μετρήθηκαν στην εργασία αυτή. / The present master thesis examines the environmental and geologic parameters of the new harbour site in the city of Aegio. In this research the Geographic Information Systems (GIS) played a major role and more specifically the software ArcGIS version 9, which was used to analyze and evaluate the various parameters, increasing thus the methodology effectiveness and at the same time creating a valuable data bank concerning the sea area of the harbour site. In the research below are presented the results of a marine geophysical survey that took place in the coastal region of Aegio. The object of this survey is double, as it attempts to provide answers and solutions to two substantial questions: a) the localization of the areas risks and b) the quantitative analysis of the geophysical techniques. The research is extended in four chapters, in which it is detailed the whole process followed as well as the results and the conclusions arising from the seafloor of the harbour, from the measurements and the analysis done through the tomographies. We should point out that the starting point of our research were the original maps of the Autocad as well as the tomographies taken from the subbottom profiler 3.5 KHz In the first chapter, we describe the geophysical techniques used for the construction of the sea technical works. It is also mentioned the geologic and anthropogenic risk which affects the seafloor and could damage the works due to the pressure put on them. There are also mentioned the instruments used for the implementation of these techniques, such as the subbottom profilers, side scan sonars and the bathyscaphes. The second chapter is dedicated to the location of the region and its typical geologic phenomena. The third chapter is about the methods we implemented for: a) the plotting of the seafloor bathymetry and morphology, b) the definition of the substructure and the thickness of the contemporary superficial sediments, c) the estimation of the gradient of the sub-superficial beds and d) the detection of possible geological risks, such as faultings, landslides and hydrocarbon gases in the sediments pores. It is also mentioned the methodological plan used for the analysis and the processing of the analogue recordings on the basis of the quantification of the subbottom profilers analogue recordings and the application of the multidimensional statistical analysis, such as the Factor Analysis and the Trend Surface Analysis . Finally in the fourth chapter of this master thesis are included the results and the conclusions that arose from the aforementioned analysis. Taking into account the superficial distribution of the bathymetry of the seafloor and of the sub-superficial horizons as well as of the other parameters counted, but also the results of the factor analysis, we attempted to arrive at a conclusion in order to make more intelligible what has been mentioned in this master thesis.

Les dispositifs interconnectés moulés (« Molded Interconnected Devices », MID) sont constitués de supports polymères avec des pistes métalliques déposées à leur surface. Les objectifs de la thèse ont été d'optimiser les traitements de surface de polymères d'origine industrielle étudiés dans le contexte des MID pour obtenir des dépôts par métallisation electroless présentant une bonne adhérence. De plus, des procédés innovants de localisation de tels dépôts métalliques ont été développés. Durant ces travaux, la fonctionnalisation par plasma micro-ondes sous différentes atmosphères azotées et sous différentes conditions a été étudiée pour obtenir l'adsorption d'espèces palladiées (catalyseurs universels de la réaction de métallisation electroless). Des plans d'expériences ont été mis en oeuvre pour identifier un protocole type, développé sur PA12, pour obtenir des dépôts adhérents (Ni, Cu). Cette méthode a pu être globalement transposée avec succès sur d'autres polymères d'origine industrielle (ABS/PC, LCP). La seconde partie des travaux a consisté à développer des protocoles originaux basés sur des colloïdes de palladium directement synthétisés en surface d'un tampon en PDMS (lithographie douce) pour la réalisation de motifs métalliques par des procédés « top-down » et « bottomup ». Des analyses de surface AFM, SEM, TEM, XPS, ToF-SIMS et de mouillage ont permis de caractériser les différentes modifications de surface. Ces protocoles ont permis la réalisation de motifs métalliques MID adhérents jusqu'à 15 μm d'épaisseur et des motifs submicrométriques à haute résolution et haute densité avec des caractéristiques non encore obtenues à ce jour via cette technologie / Molded Interconnected Devices (MID) consist in polymer based substrates with metal tracks at their surface. The aim of this thesis was to optimize surface treatments applied to industrial polymers intended for MID applications, in order to obtain electroless metal coatings exhibiting a high practical adhesion. Furthermore, innovative processes to localize these metal coatings were developed. In this work, surface functionalization based on various operating parameters of microwave plasma using various nitrogen-based atmospheres were studied to obtain palladium (universal catalyst for electroless metallization) adsorption. Designs of experiments were used to identify an optimal set of parameters for PA12 surface treatment to obtain adherent metal coatings (Ni, Cu). These conditions were overall successfully transferred to other industrial polymers (ABS/PC, LCP). The second part of this work consisted in the development of innovative processes based on the use of palladium colloids directly synthetized at the surface of PDMS stamps (soft lithography) to achieve localized metallization using bottom-up and top-down approaches. AFM, SEM, TEM, XPS, ToF-SIMS and wettability measurements allowed to characterise the various surface modifications. These processes made possible 15 μm thick MID metal patterns with satisfactory practical adhesion as well as high resolution and high density sub-micrometric patterns with unseen properties for this technology

L'objectif principal de ce travail de thèse a été de développer des méthodologies d'analyse de surface fiables pour caractériser divers nouveaux matériaux intégrés dans des structures de très faibles dimensions caractéristiques des développements actuels de la microélectronique. Un intérêt particulier a été porté sur l'utilisation combinée de plusieurs techniques complémentaires. Une première étude a porté sur les artefacts de caractérisation de couches isolantes (dioxyde de silicium et dioxyde de silicium dopé au fluor – FTEOS) situées entre les niveaux de métallisation des puces. Une étude systématique des effets de la dose électronique liée à une analyse AES a été réalisée en utilisant la complémentarité des techniques AES/XPS. Les résultats ont révélé des changements chimiques en extrême surface (sous-oxydes) dépendant de la nature du matériau. La seconde étude a porté sur la mise en oeuvre d'une méthodologie analytique pour la caractérisation de la couche de passivation formée sur les flancs de gravure après deux gravures plasma successives sur des structures de très faibles dimensions (lignes de 300 nm et tranchées de 200 nm). Cette méthodologie a été basée sur l'utilisation de l'effet de charge différentiel, observé lors d‘analyses simultanées de deux matériaux de propriétés électriques différentes, ainsi que sur la complémentarité des caractérisations par XPS et ToF-SIMS y compris des analyses XPS résolues en angles (AR-XPS). La composition chimique de l'extrême surface de la couche de passivation a ainsi pu être déterminée sur des parois verticales. La surface de cette couche a révélé être composée principalement par de l'oxygène ayant réagi avec le silicium pour former des sous-oxydes de silicium de différentes stoechiométries / The main goal of this thesis was to develop reliable surface analysis methods to characterize various new materials used in very small size structures typical of current developments in microelectronics applications. A particular interest has been taken in combining several complementary techniques. The first study was focused on potential artifacts when characterizing insulating layers (silicon dioxide and fluorine doped silicon dioxide – FTEOS) which are used between metal layers in chips. A comprehensive study of the electron dose effects in AES was performed using complementary AES and XPS techniques. The results revealed chemical changes in the outermost surface (suboxides) that depend on the nature of the material. The second study was focused on the development of an analytical methodology to characterize the passivation layer on the etch sidewalls after two successive plasma etching processes applied onto very small size structures (300 nm lines and 200 nm trenches). This methodology was based on the use of the differential charging effect that takes place when analyzing simultaneously two materials exhibiting different electrical properties and on the complementarity of ToF-SIMS and XPS characterizations including angular resolved XPS (AR-XPS). The chemical composition of the outermost surface of the sidewall passivation layer could then be determined. The surface of that layer was found to be consisting mostly from oxygen than reacted with silicon to form silicon suboxides with various stoichiometries

Les aciers inoxydables duplex (DSS) sont caractérisés par une structure biphasée comprenant un mélange de ferrite et d’austénite. La proportion entre les deux phases est d'habitude environ 50 %. Ils sont de plus en plus employés dans les industries chimiques, pétrochimiques, nucléaires, marines et de papier, principalement en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques couplées à une bonne résistance à la corrosion par piqûre (basse teneur en nickel et molybdène). L’austénite ayant une composition chimique différente de celle de la ferrite, un film hétérogène se forme à la surface des aciers inoxydable duplex. Par ailleurs, les deux phases métalliques ayant des propriétés mécaniques différentes, un champ de contrainte hétérogène est généré dans les grains. Sous certaines conditions, l’existence de gradients de contraintes peut conduire à des hétérogénéités du film passif. Dans ce travail , on étudie l’effet des éléments d’alliages sur les propriétés physico-chimiques du film passif et le comportement en corrosion par piqures avant et après vieillissement en milieu chlorurés, pour une surface de référence respectant certains critères à savoir une surface lisse exempt de tout défauts (pas de couche écrouie, rugosité faible..). Les propriétés physico- chimiques du film sont étudiés à l’aide des analyses Auger et XPS à l’échelle locale et globale. Le comportement en corrosion des alliages duplex a été ensuite déterminé à partir d’essais TCP (détermination de la température critique de piqûration). Les résultats avant vieillissement ont montré que le film passif est homogène à l’échelle macroscopique et que l’amorçage des piqûres semblent être liée à la taille des grains et à la texture cristallographique décrit par le GOS. Après vieillissement de longue durée en milieu représentatif, les analyses de surface montrent un renforcement de la passivité par un épaississement du film passif, une augmentation significative du rapport Cr/Fe ce qui ont pour effet d’améliorer le comportement en corrosion par piqures des alliages. Des critères métallurgiques ont été proposés pour expliquer l’amorçage de piqûres pour ces alliages. / Duplex stainless steels (DSS) are characterized by a two-phase structure comprising a mixture of ferrite and austenite. The proportion between the two phases is usually about 50%. They are increasingly used in the chemical, petrochemical, nuclear, marine and paper, mainly because of their excellent mechanical properties coupled with good resistance to pitting corrosion (low grade nickel and molybdenum). The austenite having a different chemical composition than the ferrite, a heterogeneous film is formed on the surface of duplex stainless steels. Furthermore, the two metallic phases having different mechanical properties, a field of heterogeneous stress is generated in the grains. Under certain conditions, these differences may also yield formation of a heterogeneous passive film. In this work, we study the effect of alloying elements on the physico-chemical properties of the passive film and behavior pitting corrosion before and after ageing in chloride media for a reference surface that meet certain criteria ie a smooth surface free from any defects (no hardened layer .. low roughness). The physicochemical properties of the film are studied using Auger and XPS analysis at the microscale. The corrosion behavior of duplex alloys was then determined from CPT tests (determination of the Critical Pitting Temperature). The results before ageing have shown that the passive film is homogeneous on a macroscopic scale and that pitting corrosion appear to be related to the grain size and crystallographic texture described by GOS. After ageing, surface analysis shows a strengthening of passivity by thickening of the passive film and the ratio Cr/Fe are significantly increased which has the effect of improving behavior pitting alloys. Metallurgical criteria for pitting were proposed.

Les revêtements de carbone amorphe hydrogéné (a-C:H) avec incorporation de silicium et d’oxygène (a-C:H:Si:O) sont une catégorie de lubrifiants solides, de la famille des Diamond-Like Carbon (DLC), présentant aussi bien de bonnes propriétés mécaniques que tribologiques et une bonne stabilité thermique. Bien qu’il soit établi que le comportement tribologique de ces couches est moins dépendant de l’environnement que celui des couches a-C:H, sans éléments d’addition, l’origine physicochimique de ce comportement reste à élucider. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre une collaboration internationale entre le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes de l’Ecole Centrale Lyon et le département de Génie Mécanique et Mécanique Appliquée de l’Université de Pennsylvanie, et a pour objectifs d’apporter des réponses à ces questions ouvertes. Un large éventail de techniques expérimentales complémentaires, notamment la nanoindentation, la microscopie à force atomique (AFM), la microscopie à mesure de force (FFM), la microscopie optique et électronique, le Raman, la spectroscopie de photoélectron X (XPS) et la spectroscopie de structure près du front d’absorption de rayons X (NEXAFS) a été mis en oeuvre pour non seulement établir une carte d’identité mécanique, structurale et chimique du revêtement initial, mais aussi comprendre les modifications structurelles induites par le frottement. Afin de contrôler l’environnement au cours des essais tribologiques, nous avons utilisé d’une part un tribomètre linéaire alternatif, que nous avons équipé d’un système de soufflage de gaz permettant de changer rapidement l’environnent au cours des essais, et d’autre part un tribomètre analytique à environnement contrôlé autorisant des expérimentations tant sous vide poussé qu’à pression élevée de gaz. Ainsi, nous avons pu montrer que le coefficient de frottement augmente avec le taux de vapeur d’eau dans l’environnement et cela est réversible lorsqu’on diminue brusquement l’humidité. En outre, la vapeur d’eau protège la couche de l’usure alors que la présence d’oxygène la favorise. Grace aux observations en microscopie électronique, nous avons pu prouver que le comportement tribologique des couches a- C:H:Si:O, lors d’un frottement contre de l’acier 100Cr6, est essentiellement contrôlé par la formation de jonctions adhésives dans l’interface. Sous vide poussé ou à faible pression de gaz (<1 mbar de vapeur d’eau, <10 mbar d’oxygène ou <50 mbar d’hydrogène), la rupture de ces jonctions adhésives a lieu dans l’acier, résultant en un transfert de matériau de l’acier vers l’a-C:H:Si:O s’accompagnant d’un coefficient de frottement élevé (μ≈1.2). Au delà de ces pressions seuils de gaz, les jonctions adhésives se rompent du côté du a-C:H:Si:O, le transfert de matière s’opérant alors dans la direction opposée, du revêtement vers l’acier. Des analyses NEXAFS ont révélé que ce phénomène s’expliquait par une réaction dissociative entre les éléments du gaz environnant et les liaisons carbone C–C contraintes, favorisée par la sollicitation mécanique en extrême surface de l’a-C:H:Si:O. Ceci résulte en une diminution drastique du coefficient de frottement à des valeurs d’un ordre de grandeur inférieures à celles obtenues dans la configuration précédente. L’ensemble de ces résultats nous a ainsi permis de développer un modèle expérimental expliquant les mécanismes fondamentaux d’interaction entre l’environnement et les lubrifiants solides du type a-C:H:Si:O. / Like Carbon (DLC) coatings that exhibit outstanding mechanical properties, thermal stability and tribological performance. It is well established that the frictional and wear performances of a-C:H:Si:O are less dependent on environment than that of pure hydrogenated amorphous carbon (a-C:H). However the fundamental mechanisms accounting for such excellent tribological behavior of a-C:H:Si:O are still not fully understood. The present work, which is part of a collaboration between the Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes of Ecole Centrale de Lyon and the department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics of University of Pennsylvania, consists in using a multi-scale, multidisciplinary and multi-technique experimental approach for understanding the influence of environment on the tribological response of a-C:H:Si:O. A wide rang of complementary techniques, including nanoindentation, Atomic Force Microscopy (AFM), Friction Force Microscopy (FFM), optical and electron microscopy, Raman, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and near edge x-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS), have thus been used to fully characterize the structure, composition and mechanics of the studied material, as deposited as well as after tribological testing. Control of the environment has been achieved first thanks to an open air linear reciprocating tribometer that we equipped with a gas blowing system, thus allowing a quick change of the sliding environment, and a environment-controlled analytical tribometer operating from high vacuum to elevated pressures of desired gases. We were able to evidence the strong influence of the amount of water vapor in the environment on the friction behavior of a- C:H:Si:O, with a reversible behavior when abruptly changing the environment. Contrary to water vapor, oxygen promotes the wear of a-C:H:Si:O. SEM observations revealed that while sliding a-C:H:Si:O against 52100 steel, the frictional response is controlled by the build-up and the release of adhesive junctions within the interface. Under high vacuum and below a threshold pressure of water vapor (1 mbar), oxygen (10 mbar) and hydrogen (50 mbar), adhesive junctions are released in the steel, resulting in a transfer of material from steel to a-C:H:Si:O and in a high coefficient of friction (μ≈1.2). However, as the gas pressure is increased above the threshold, the adhesive junctions break on the a-C:H:Si:O side, leading to a material transfer in the opposite direction, from the a-C:H:Si:O to the steel. NEXAFS spectroscopy revealed that a dissociative reaction occurs between the gaseous species and the strained C–C atoms in the near surface region ofa-C:H:Si:O, thus resulting in a drastic decrease of the steady state coefficient of friction by at least an order of magnitude. In light of these observations, an analytical model has been proposed to describe the fundamental interaction mechanisms between the environment and the a-C:H:Si:O/steel tribopairs.

La zone Segment-Piston-Chemise (SPC) d’un moteur thermique est une source importante de dissipation d’énergie liée au frottement sévère. Il est important d’optimiser les lubrifiants agissant dans cette zone car ils ont un impact essentiel sur la durée de vie des pièces mécaniques et la réduction de la consommation énergétique des véhicules. Le dépôt de revêtements sur certaines pièces soumises à des frottements sévères est également une alternative intéressante, en particulier les revêtements carbonés de type DLC et diamant nanocristallin (NCD). La formulation des nouveaux lubrifiants moteurs doit tenir compte de la présence éventuelle de ces nouveaux matériaux. Dans ce travail de doctorat, l’action tribochimique de nouveaux additifs à base de molybdène, couplés à un additif anti-usure de type ZnDTP et à d’autres additifs de type modificateur de frottement, a été étudiée. Ces derniers sont depuis longtemps connus pour leur grande capacité à réduire le frottement grâce à la formation du composé lamellaire di-sulfure de molybdène (MoS2), notamment les additifs MoDTC dimer. Cependant la quantité importante de soufre qu’ils contiennent reste problématique du fait de son impact néfaste sur l’environnement. L’effet synergique d’un additif au molybdène purement organique, appelé Mo-organique, en combinaison avec un additif ZnDTP et d’une triamine grasse, a été découvert. Ce nouveau mélange ternaire permet de réduire jusqu’à 20% la contenance en soufre d’une formulation lubrifiante globale tout en améliorant les performances tribologiques par rapport à celles du MoDTC classique. De ce fait, une réduction du coefficient de frottement atteignant 50% a été observée. Une caractérisation physico-chimique multi-échelles des tribofilms binaires et ternaires dérivés du Mo-organique a été réalisée en utilisant une approche multi-techniques (XPS, ToF-SIMS, FIB/HRTEM). Un mécanisme réactionnel hypothétique conduisant à la formation du MoS2, passant par un composé intermédiaire de type « thiomolybdate » a été proposé. / The friction in the Piston-ring area is a significant cause of the energy waste. It is important to optimize the lubricants acting in this zone because they have an essential impact on the service life of the mechanical parts and the reduction of the energy consumption of vehicles. The coating on relevant part is also an interesting alternative, such as the carbon coating of the DLC type or a nano-crystalline diamond (NCD) coating. If such coating materials are used, the composition of new lubricants has to be adapted correspondingly. This doctoral work-studies the tribo-chemical action of new additives with molybdenum, coupled with an anti-wear additive of the ZnDTP type as well as with some other friction-modifying additives. Some of these additives, especially the MoDTC dimer, are known to reduce the friction through formation of the lamellar di-sulfur composite of molybdenum (MoS2). However, due to high sulfur content these additives produce significant adverse environmental effects. A synergy effect has been proven of a purely organic molybdenum additive, called Moorganic, combined with a ZnDTP additive and from a fatty triamine. This new ternary mixture allows reducing up to 20% the sulfur content in the lubricant’s global formula and improves the tribological properties in comparison with the classical MoDTC. Consequently, the observed reduction of friction coefficient reached 50%. Using the multi-technic approach (XPS, ToF-SIMS, FIB/HRTEM) we realized a multi-scale physicochemical characterization of the binary and ternary tribo-layers that derived from the Mo-organic. A reactional mechanism that leads to the MoS2 formation has been proposed; it goes through the intermediate composite of the « thiomolybdate » type.

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer voir d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les molécules organiques à base de carbone, oxygène et hydrogène semblent être de bons candidats. Le mécanisme de lubrification des acides gras (acides stéarique, oléique et linoléique) est revisité par une approche visant à combiner l’étude expérimentale et la modélisation moléculaire. Tout d’abord, les mécanismes d’adsorption des acides gras sur des surfaces à base de fer sont étudiés par couplage Chimie Quantique et Dynamique Moléculaire (UA-QCMD). L’adsorption des acides gras sur des surfaces à base de fer se fait par la fonction acide. Selon la nature du substrat, la densité du film et l’angle d’inclinaison de la molécule par rapport à la surface, différents mécanismes d’adsorption peuvent avoir lieu (physisorption et chimisorption). Les molécules d’acide stéarique forment une monocouche compacte et bien arrangée alors que les molécules insaturées en sont incapables à cause d’effets stériques induits par les doubles liaisons carbone-carbone. Le frottement favorise la formation de la fonction carboxylate. Ces résultats sont confirmés par des analyses de surface (XPS et PM-IRRAS). Les propriétés tribologiques des acides gras purs, dans la PAO 4 et en mélange dans la PAO 4 sont étudiées par simulation MD et par des tribotests. Un faible frottement et une absence d’usure visible ont été observés pour l’acide stéarique pur et dissous à 1%m dans la PAO 4 à haute température. La présence de molécules insaturées inhibe les propriétés réductrices de frottement de l’acide stéarique, en particulier à 150 °C. Ceci est expliqué par la diffusion des acides gras insaturés bien supérieure à celle de l’acide stéarique dans la PAO 4 à toutes les températures étudiées. / The current requirements in automotive lubrication impose complex formulation. Among all the additives present in oil, the presence of molybdenum dithiocarbamate and zinc dithiophosphate, both tribological additives containing sulfur and phosphorous is found. For environmental reasons, it is important to reduce or eliminate the presence of these two elements contained in oil. Organic molecules based on carbon, oxygen and hydrogen seems to be good candidate. The lubrication mechanism of fatty acids (e.g. stearic, oleic and linoleic acids) is revisited with a new approach combining experimental and computational chemistry studies. First, the adsorption mechanisms of fatty acids on iron-based surfaces are investigated by Ultra-Accelerated Quantum Chemistry Molecular Dynamics simulations. The adsorption of fatty acids on iron oxide surface occurred through the acid group. Depending on the nature of the substrate, on the density of the film and on the tilt angle between the molecule and the surface, different adsorption mechanisms (physisorption and chemisorption) can occur. Stearic acid molecules form a close-packed and well-arranged monolayer whereas unsaturation acids cannot because of steric effects induced by double carbon-carbon bonds. The friction process favors the formation of carboxylate function. Results are confirmed by surface analysis (XPS and PM-IRRAS). Tribological properties of pure fatty acids, blended in PAO 4 and mixture of saturated/unsaturated acids are studied by MD simulations and tribotests. Low friction coefficient with no visible wear is reported for pure stearic acid and single stearic acid blended in PAO 4 at 1%w at high temperature. This lubricating behavior is inhibited in the presence of unsaturated acids, especially at 150 °C. MD simulation results show a faster diffusion toward the surface for unsaturated fatty acids than for stearic acid at all studied temperature.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Grenzflächenausbildung von dünnen Tantal- und Titan-basierenden Schichten zu den piezoelektrischen Substratmaterialien Lithiumniobat sowie Lithiumtantalat, als Teil eines Schichtstapels für die Metallisierung akustischer Oberflächenbauelemente. Ziel ist es das grundlegende Verständnis für die chemischen Wechselwirkungen beim Aufwachsen der Schichten, ihrer thermischen und zeitlichen Stabilität sowie ihrer Effekte auf das Schichtwachstum einer Deckschicht bestehend aus Aluminium zu gewinnen. Ein Schwerpunkt war die Präparation der Substratoberflächen hinsichtlich einer Oberflächenreinigung und -modifikation. Zu diesem Zweck wurden neben verschiedenen Standard-Verfahren auch eine eigens angefertigte plasmagestützte Oberflächenbehandlung systematisch analysiert. Auf derart präparierten Substraten fanden im Folgenden die Schichtabscheidung und die Analyse des Schichtwachstums, hauptsächlich mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, statt. Anhand von thermischen Belastungen sowie zeitlicher Veränderungen der Schichten im Vakuum konnten grundlegende Aussagen zur Stabilität der Grenzflächen gewonnen werden. Zur Komplettierung des Schichtstapels wurden auf ausgewählten Substrat-Schicht Kombinationen das Wachstum von Aluminiumschichten hinsichtlich ihrer unterschiedlicher Texturbildung analysiert und Aussagen zur Relevanz chemischer Ursachen getroffen. / This dissertation addresses the interface formation between thin Tantalum and Titanium based layers onto the piezoelectric substrate materials Lithiumniobate and Lithiumtantalate as part of a metallisation stack for surface acoustic wave devices. The goal is to extend the fundamental knowledge of chemical interactions during layer growth, its thermal and temporal stability plus its effects on the layer growth of an Aluminium cover layer. One focus lies on the preparation of the substrate surfaces for cleaning and modification purpose. For this, besides standard procedures a specially built plasma-based device was systematically evaluated for surface treatment. The following layer deposition was then implemented onto these prepared substrate surfaces and mainly analysed by angle-resolved photoelectron spectroscopy. By the means of thermal load and temporal alteration of the layers in vacuum essential knowledge about the interface stability was gained. For the completion of a whole layer stack selected substrate-layer combinations were covered with Aluminum and its layer growth was analysed with respect to the different formation of texture and its potential chemical cause.