Etude de carbures, nitrures et carbonitrures de fer élaborés par pulvérisation de fer élaborés par pulvérisation cathodique, Study of iron carbides, iron nitrides ans iron carbonitrides deposited by sputtering

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
LABORATOIRE DE SCIENCE ET GENIE DES SURFACES – UMR 7570


N° attribué par la bibliothèque
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THESE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’INPL

Ecole Doctorale Energie-Mécanique-Matériaux
Discipline : Science et Ingénierie des Matériaux
présentée et soutenue publiquement
par
Isabelle JOUANNY
le 11 décembre 2006
Etude de carbures, nitrures et carbonitrures de fer
élaborés par pulvérisation cathodique
dirigée par
Elizabeth BAUER-GROSSE
Valérie DEMANGE

Composition du jury

M. Francis MAURY, Directeur de Recherche CNRS, Président du jury
M. Abdou DJOUADI, Professeur à l’IMN, Rapporteur
M. Thierry EPICIER, Directeur de Recherche CNRS, Rapporteur
Mme Elizabeth BAUER-GROSSE, Professeur à l’INPL, Directeur de thèse
Mme Valérie DEMANGE, Chargée de Recherche CNRS, Co-directeur de thèse



Remerciements


Ce travail a été réalisé au Laboratoire Science et Génie des Surfaces (U.M.R. CNRS 7570) de l’INPL
dont je tiens à remercier le directeur, Monsieur J.Ph. Bauer. Je tiens à remercier également Monsieur
H. Michel de m’y avoir accueillie.

Je remercie Madame E. Bauer-Grosse, professeur à l’INPL, d’avoir assuré la direction de ce travail et
d'avoir, par sa rigueur scientifique, permis de le mener à bien.
Je tiens à remercier sincèrement Madame V. Demange, chargée de recherche au CNRS, pour le
soutien et les compétences scientifiques qu’elle m’a apportés en dirigeant ce travail. C’est avec grand
plaisir que je lui exprime ma reconnaissance.

J’exprime ma profonde gratitude à Monsieur F. Maury, directeur de recherche au CNRS, pour
l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de présider ce jury de thèse.
Je remercie vivement Monsieur A. Djouadi, professeur à l’IMN, et Monsieur T. Epicier, directeur de
recherche au CNRS, de l’intérêt qu’ils ont porté à cette étude et d’avoir accepté d’en être les
rapporteurs.

Je remercie également Monsieur A. Billard de s’être intéressé à ce travail et pour ses conseils avisés et
ses remarques qui m’ont énormément aidée dans l'élaboration des dépôts. J’adresse mes sincères
remerciements à Monsieur Tran Huu Loï, qui a contribué à la réalisation de ce travail et envers qui je
suis particulièrement reconnaissante pour son aide précieuse dès mon arrivée au laboratoire.

Je tiens à remercier l’ensemble des personnes du laboratoire et en particulier C. Etienne, C. Gendarme,
dont j’ai pu bénéficier de l'expérience et des conseils.
Je remercie tout particulièrement P. Weisbecker de m'avoir fait bénéficier de son expérience dans le
domaine de la diffraction des rayons X ainsi que M.C. De Weerd pour en avoir assuré le service
commun. Je remercie également S. Migot pour l'aide technique qu'elle m'a apportée dans la réalisation
des lames minces.

J'adresse tous mes remerciements à ma famille et mes proches qui m'ont soutenue et encouragée.


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Sommaire


Sommaire ....................................................................................................................3
Introduction..................................................................................................................7
Chapitre I : Etude bibliographique ...............................................................................9
I.1 - Diagrammes de phases ................................................................................................ 10
I.1.1 - Système Fe-N ...................................................................................................... 10
I.1.2 - Système Fe-C....................................................................................................... 12
I.1.3 - Système Fe-N-C .................................................................................................. 14
I.2 - Phases Fe (N,C)......................................................................................................... 15 2-3
I.2.1 - Phases Fe N : phases ε, ε', ε'' et phase ζ ............................................................ 15 2-3
I.2.1.1 - Description de l’ordre des éléments interstitiels des phases ε, ε', ε'' .......................15
I.2.1.2 - Structure ordonnée de la phase ε : phase ..............................................................18
I.2.2 - Phases Fe C et Fe (N,C) ................................................................................. 19 2-3 2-3
I.3 - Potentialités en nouveaux matériaux des systèmes Fe-N, Fe-C et Fe-N-C ................. 21
I.3.1 - Phases cubiques équiatomiques FeN................................................................... 21
I.3.1.1 - Description des structures cubiques de type-NaCl et de type-ZnS..........................22
I.3.1.2 - Phase cubique γ''-FeN..............................................................................................23
I.3.1.3 - Phase cubique γ'''-FeN.............................................................................................25
I.3.1.4 - Propriétés des phases cubiques................................................................................ 27
I.3.2 - Composés sur-stœchiométriques ......................................................................... 28
I.3.3 - Phases amorphes et produits de cristallisation .................................................... 28
I.4 - Conclusion................................................................................................................... 30
Chapitre II : Méthodes expérimentales d’élaboration et de caractérisation
des dépôts..............................................................................................31
II.1 - Méthode d’élaboration des dépôts.............................................................................. 32
II.1.1 - Aspects généraux de la pulvérisation cathodique magnétron en courant
continu en atmosphères réactives........................................................................ 32
II.1.1.1 - Principe de la pulvérisation cathodique en courant continu...................................32
II.1.1.2 - Principe et rôle du magnétron ................................................................................33
II.1.1.3 - Principe de la pulvérisation réactive ......................................................................34
II.1.2 - Description du dispositif expérimental............................................................... 35
II.1.2.1 - Description globale du dispositif expérimental......................................................35
II.1.2.2 - Description du réacteur en configuration triode.....................................................36
II.1.3 - Démarche expérimentale .................................................................................... 37
II.1.3.1 - Aménagement de la cible magnétique....................................................................37
- 3 - Sommaire
II.1.3.2 - Préparation des substrats ........................................................................................ 41
II.1.3.3 - Conditions d’élaboration des dépôts ......................................................................41
II.2 - Méthodes de caractérisation des dépôts ..................................................................... 46
II.2.1 - Techniques d’analyse chimique ......................................................................... 46
II.2.1.1 - Profil de la composition en éléments : sonde ionique ............................................46
II.2.1.2 - Composition chimique globale : sondes électroniques ..........................................47
II.2.1.2.1 - Microsonde de Castaing.................................................................................47
II.2.1.2.2 - Spectrométrie à sélection d’énergie des rayons X .........................................48
II.2.1.3 - Composition locale : spectroscopie de pertes d’énergie des électrons...................49
II.2.2 - Techniques de caractérisation structurale et microstructurale............................ 50
II.2.2.1 - Diffraction des rayons X ........................................................................................50
II.2.2.2 - Microscopies électroniques....................................................................................51
II.2.2.2.1 - Microscopie électronique à balayage.............................................................51
II.2.2.2.2 - Microscopie électronique en transmission.....................................................5