Caractérisation de nitrures de carbone synthétisés par implantation simultanée de carbone et d’azote dans du cuivre

Thèse de l'étudiant: Doc typesDocteur en Sciences

Résumé

Parmi les différents éléments constituant l’univers, le carbone occupe une place préférentielle. Il est en effet non seulement observé dans la composition de toutes les espèces vivantes (quelles soient animales ou végétales), mais il est également utilisé dans de nombreuses applications industrielles. L’une des plus importantes est probablement l’utilisation de « l’adiamantin » (en anglais DLC : diamond-like carbon) comme revêtement de matériaux. Cette phase particulière du carbone amorphe, qui présente des propriétés de dureté et de résistance à l’usure remarquables, est largement utilisée afin d’améliorer les propriétés de surfaces de nombreux substrats (forets, tête de lecture de disque dur, pièces de moteurs…). Ces dernières années, de nombreuses recherches ont été menées afin de développer de nouveaux matériaux ayant d’excellentes propriétés mécaniques. La synthèse de l’hypothétique phase de beta-C3N4 a en particulier focalisé l’attention de la communauté scientifique. Et pour cause, Liu et Cohen prédirent en 1989 que la dureté et la conduction thermique de ce matériau pourrait égaler, voir dépasser, celles du diamant. Malgré les nombreuses techniques testées à ce jour, les composés synthétisés sont le plus souvent formés de diverses phases de nitrure de carbone, et la structure cristalline de beta-C3N4 reste très difficile à obtenir. Cependant, même les phases amorphes de nitrure de carbone peuvent avoir des propriétés mécaniques intéressantes pour de nombreuses applications tribologiques. Dans ce travail, nous avons évalué la possibilité d’utiliser un procédé d’implantation simultanée de carbone et d’azote dans du cuivre afin de synthétiser des nitrures de carbone. Cette méthode nous est apparue être une bonne solution pour les raisons suivantes : la très faible solubilité du carbone et de l’azote dans le cuivre, ainsi que leur arrivée simultanée dans la matrice hôte, favorisent l’interaction entre ces atomes durant le processus d’implantation ; les contraintes de compression appliquées par la matrice hôte sur les composés favorise la croissance de structures compactes ; enfin, l’implantation à moyennes énergies (typiquement 600 keV) permet d’éviter la migration en surface suivie d’une désorption des atomes d’azote. L’influence de la température sur les structures de nitrure de carbone, formées durant le procédé d’implantation, a été étudiée. Pour ce faire, nous avons réalisé diverses implantations à 25, 250, 350 ou 450°C avec une fluence fixée à 1 × 1E18 at/cm². Les échantillons implantés ont été caractérisés par NRA, XPS, MET et nano-indentation en vue d’étudier les profiles de concentration du carbone et de l’azote, le type de liaisons C−N, la structure des composés de nitrure de carbone ainsi que leurs propriétés mécaniques. Les résultats expérimentaux sont présentés et discutés dans ce manuscrit. Ce dernier se termine sur quelques conclusions et perspectives données à ce travail. Notez que cette thèse a été réalisée dans un laboratoire d’analyse par réactions nucléaires. Nous avons par conséquent accordé une attention toute particulière au développement d’une méthode d’analyse par réactions nucléaires, permettant de déterminer simultanément le profil de concentration de tous les éléments légers contenus dans un échantillon. Le dispositif expérimental d’acquisition ainsi que la méthode de traitement de données sont décrits dans ce travail.
Date de réussite15 oct. 2009
langueFrançais
Institution diplomante
  • Université de Namur
SuperviseurGuy Terwagne (Promoteur), Stephen DONNELLY (Jury), Nathalie Moncoffre (Jury), Pierre Louette (Jury) & Stéphane Lucas (Président)

mots-clés

  • XPS
  • Nano-indentation
  • Carbon nitride compounds
  • NRA
  • TEM
  • Ion implantation

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Caractérisation de nitrures de carbone synthétisés par implantation simultanée de carbone et d’azote dans du cuivre
Colaux, J. (Auteur). 15 oct. 2009

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