Fractography and crack propagation in functional crystals

Résumé

La rupture dans les matériaux de structure est assez bien connue et documentés avec des standards bien établis. Malheureusement, celle des cristaux fonctionnels qui se retrouvent dans tous nos appareils intelligents, fait partie de notre quotidien et reste encore mal comprise et peu voire pas étudiée. Une rupture conventionnelle se produit de manière catastrophique. La propagation des fissures est brutale et peut être perturbée par des instabilités de nature physique, par l'orientation du cristal et/ou des contraintes mécaniques. L'intensité locale des champs de contraintes (SIF) est un élément prééminent dans l'étude des cristaux fonctionnels fragiles. Le SIF change dès lors que les caractéristiques topographiques de la surface de rupture sont modifiées au cours de la propagation par exemple lors de la formation de facettes cristallographiques. Au moment de la fissuration, ces singularités, restent inscrites sur les surfaces crées et sont souvent les seuls indices encore visibles et exploitable pour connaitre l’histoire mécanique du cristal. Par conséquent, l'étude du SIF en corrélation avec les traces fractographiques est un indicateur puissant pour comprendre la mécanique de la rupture dans les processus de la propagation rapide des fissures. En revanche aucun standards n’existe pour l’évaluation de la défaillance mécanique des cristaux fonctionnels où leur étude se complexifie au regard de leur comportement fortement anisotrope. Il n’existe à ce jour que très peu d’études pour comprendre et évaluer le niveau de contraintes dans ces matériaux au moment de la rupture avec une résolution suffisante et sans homogénéiser les propriétés élastiques de ces matériaux. Le projet se concentre sur la compréhension analytique et expérimentale de la propagation des fissures dans les monocristaux de silicium (Si) et d'arséniure de gallium (GaAs) en tant que matériaux modèles. Le but est l’acquisition de connaissances fondamentales en fractographie pour comprendre la morphologie des surfaces de rupture en lien avec les contraintes mécaniques appliquées. Le projet intègre le développement de méthodes et de procédures innovantes d'estimation des propriétés mécaniques de GaAs et de Si prenant en compte l’anisotropie intrinsèque des monocristaux. Ce travail inclut l’analyse avancée de la surface de rupture des monocristaux, que l'on trouve généralement dans les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et la généralisation des méthodes d’analyse développées pour les systèmes isotropes vers les systèmes anisotropes. Les fissures générant des surfaces sont analysées pour identifier et caractériser les singularités topographiques des échantillons surchargés expérimentalement. Les travaux préliminaires de préparation des échantillons, ainsi que les essais mécaniques à différentes longueurs d'échelles font parties de cette étude. Les aspects de la propagation instable de la fissure sont étudiés avec une modélisation analytique qui comprend l'instabilité dynamique, l'anisotropie, l’étude des contraintes au voisinage d'une fissure et l’évaluation des propriétés physiques directement reliées à la libération d'énergie de déformation dans le cristal. La modélisation analytique est validée par les résultats expérimentaux pour prédire le comportement des cristaux fonctionnels.

Date	16 août 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ricardo J. Zednik (Directeur(-trice)) & Roberto Dugnani (Codirecteur(-trice))