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Mouillage et Interfaces

Responsable : Dominique Chatain

Présentation

Nous étudions les propriétés thermodynamiques, cristallographiques et atomistiques des interfaces solide-solide hétéro-phase et des joints de grains dans les matériaux inorganiques, et leur impact sur le mouillage et la stabilité des films minces.

Nous nous intéressons à la variabilité des propriétés des matériaux multiphasés et polycristallins, issue de l'anisotropie des interfaces solide/solide qu'ils contiennent. Notre objectif est de rationnaliser la complexité de ces interfaces qui se décline dans un espace à cinq dimensions. Pour cela nous procédons à des études fondamentales dans des systèmes modèles dont la chimie est maîtrisée. Nous développons des méthodes de fabrication contrôlée d'hétéro-interfaces ou de joints de grains à partir de films minces équilibrés sur des substrats. Ces interfaces sont analysées avec des méthodes expérimentales multi-échelles, de la simulation atomistique et de la modélisation thermodynamique. Nos travaux les plus récents portent sur :

  • les relations d'orientation et l'hétéroépitaxie dans les systèmes métal-oxyde et métal-métal
  • la stabilité des films minces de métaux purs et d'alliages à haute entropie sur saphir
  • l'adsorption de Gibbs et les complexions interfaciales

Cette activité académique s'accompagne de recherches de type "interface engineering" visant à des applications (par exemple, la croissance de film mince monocristallin ou la résistance au démouillage de films polycristallins).

Nous avons développé un microscope électronique à balayage sous ultra-vide (**lien avec SEM-UHV**) équipé d'un spectromètre Auger et d'une caméra EBSD (début 2019), pour réaliser des études in-situ en température sur les évolutions microstructurales de films ou de petits cristaux, liées à leurs surfaces et interfaces (mouillage/démouillage, stabilité et réactivité de films supportés mono- ou poly-phasés, organisation de particules, recristallisation et relations d'orientation, ...). Cette plateforme unique est équipée d'outils originaux (tels que EBSD-UHV) grâce à une étroite collaboration avec des dévelopeurs d'instruments pour la microscopie électronique.

Mouillage et interfaces
(A gauche) Image en électrons secondaires de colonies de cristaux de Ag (gris clair) formés à partir du démouillage de films monocristallins déposés sur les grains d'un polycristal de Ni (gris foncé). Les différentes formes des cristaux de Ag sur chaque grain de Ni attestent de l'existence de différentes relations d'orientations Ag sur Ni. (A droite) Résumé des relations d'orientations de Ag sur Ni contrôlées par le nano-facettage de la surface de Ni, et mesurées par EBSD (Electron Back Scattered Diffraction).

Responsable

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Dominique Chatain

Chercheurs

Victor Malgras

Enseignants-chercheurs

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Pierre Muller

Publications

2024

Polarization structure of nanostrip domain intersections in GeTe films

Boris Croes, Fabien Cheynis, Salia Cherifi Cherifi-Hertel, Kokou Dodzi Dorkenoo, Pierre Müller, Stefano Curiotto, Frédéric Leroy

Physical Review B 109:024103 (2024)10.1103/PhysRevB.109.024103

Rim nucleation and step-train orientation effects in SOI(111) dewetting

Stefano Curiotto, Pierre Müller, Fabien Cheynis, Igor Ozerov, Frédéric Leroy

Surfaces and Interfaces 45:103912 (2024)10.1016/j.surfin.2024.103912

Decomposition and dewetting of super-saturated Cu-15 at. % Co solid solution film

Farnaz Farzam, Bárbara Bellón, Dominique Chatain, José A Jiménez, Benjamin Breitbach, Matteo Ghidelli, María Jazmin Duarte, Gerhard Dehm

Materials & Design 241:112892 (2024)10.1016/j.matdes.2024.112892

Morphological evolution and structural study of annealed amorphous-Ge films: Interplay between crystallization and dewetting

Sonia Freddi, Gianfranco Sfuncia, Michele Gherardi, Giuseppe Nicotra, Chiara Barri, Luca Fagiani, Mohammed Bouabdellaoui, Alexey Fedorov, Stefano Sanguinetti, Dominique Chatain, Marco Abbarchi, Monica Bollani

Materials Science in Semiconductor Processing 174:108228 (2024)10.1016/j.mssp.2024.108228

2023

Early-stage growth of GeTe on Si(111)-Sb

Boris Croes, Fabien Cheynis, Yannick Fagot-Revurat, Pierre Müller, Stefano Curiotto, Frédéric Leroy

Physical Review Materials 7:014409 (2023)10.1103/PhysRevMaterials.7.014409

Thermomechanic behavior of epitaxial GeTe ferroelectric films on Si(111)

Boris Croes, Fabien Cheynis, Michaël Texier, Pierre Müller, Stefano Curiotto, Frédéric Leroy

Journal of Applied Physics 134:204103 (2023)10.1063/5.0173718

Size-dependent diffusion of 3D nanovoids in a bcc solid

Stefano Curiotto, Pierre Müller, Fabien Cheynis, Loic Corso, Elodie Bernard, Frédéric Leroy

Applied Physics Letters 123:241603 (2023)10.1063/5.0175752

2022

Polar surface of ferroelectric nanodomains in GeTe thin films

B. Croes, F. Cheynis, P. Müller, S. Curiotto, F. Leroy

Physical Review Materials 6:064407 (2022)10.1103/PhysRevMaterials.6.064407

Automatic Ferroelectric Domain Pattern Recognition Based on the Analysis of Localized Nonlinear Optical Responses Assisted by Machine Learning

Boris Croes, Iaroslav Gaponenko, Cédric Voulot, Olivier Grégut, Kokou D Dorkenoo, Fabien Cheynis, Stefano Curiotto, Pierre Müller, Frédéric Leroy, Kumara Cordero‐edwards, Patrycja Paruch, Salia Cherifi Cherifi-Hertel

Advanced Physics Research 2200037 (2022)10.1002/apxr.202200037

Reflections on the effect of an external flux in surface physics

Stefano Curiotto, F. Leroy, F. Cheynis, P. Müller

Surface Science : A Journal Devoted to the Physics and Chemistry of Interfaces 725:122158 (2022)10.1016/j.susc.2022.122158

Statistical behaviour of interfaces subjected to curvature flow and torque effects applied to microstructural evolutions

Sebastian Florez, Karen Alvarado, Brayan Murgas, Nathalie Bozzolo, Dominique Chatain, Carl E Krill, Mingyan Wang, Gregory S Rohrer, Marc Bernacki

Acta Materialia 222:117459 (2022)10.1016/j.actamat.2021.117459

Heteroepitaxy of FCC-on-FCC Systems of Large Misfit

Paul Wynblatt, Dominique Chatain, Ulrich Dahmen

Acta Materialia (2022)10.1016/j.actamat.2021.117550

2021

Surface segregation in multicomponent high entropy alloys: Atomistic simulations versus a multilayer analytical model

Dominique Chatain, Paul Wynblatt

Computational Materials Science 187:110101 (2021)10.1016/j.commatsci.2020.110101

Kinetic Monte Carlo simulations of the diffusion and shape evolution of single-layer clusters on a hexagonal lattice with and without external force

Stefano Curiotto, Pierre Müller, Fabien Cheynis, Frédéric Leroy

Applied Surface Science 552:149454 (2021)10.1016/j.apsusc.2021.149454

Mechanism of droplet motion and in-plane nanowire formation with and without electromigration

Stefano Curiotto, Pierre Müller, Fabien Cheynis, Frédéric Leroy

Applied Surface Science 579:152015 (2021)10.1016/j.apsusc.2021.152015

Nanocrystalline equiatomic CoCrFeNi alloy thin films: Are they single phase fcc?

Maya K Kini, Subin Lee, Alan Savan, Benjamin Breitbach, Younes Addab, Wenjun Lu, Matteo Ghidelli, Alfred Ludwig, Nathalie Bozzolo, Christina Scheu, Dominique Chatain, Gerhard Dehm

Surface and Coatings Technology 126945 (2021)10.1016/j.surfcoat.2021.126945

Structure and hardness of in situ synthesized nano-oxide strengthened CoCrFeNi high entropy alloy thin films

Subin Lee, Dominique Chatain, Christian Liebscher, Gerhard Dehm

Scripta Materialia 203:114044 (2021)10.1016/j.scriptamat.2021.114044

2020

Microstructure evolution and thermal stability of equiatomic CoCrFeNi films on (0001) alpha-Al2O3

Younès Addab, Maya K Kini, Blandine Courtois, Alan Savan, Alfred Ludwig, Nathalie Bozzolo, Christina Scheu, Gerhard Dehm, Dominique Chatain

Acta Materialia 200:908-921 (2020)10.1016/j.actamat.2020.09.064

Influence of step structure on preferred orientation relationships of Ag deposited on Ni(111)

Dominique Chatain, Saransh Singh, Blandine Courtois, Jérémie Silvent, Elodie Verzeroli, Gregory S Rohrer, Marc de Graef, Paul Wynblatt

Acta Materialia 200:287-296 (2020)10.1016/j.actamat.2020.08.082

2D Manipulation of Nanoobjects by Perpendicular Electric Fields: Implications for Nanofabrication

Stefano Curiotto, F. Cheynis, Pierre Müller, Frédéric Leroy

ACS Applied Nano Materials 3:1118-1122 (2020)10.1021/acsanm.9b02517

Dynamics of Au-Ge liquid droplets on Ge(1 1 1) terraces: Nucleation, growth and dynamic coalescence

Ali El-Barraj, Stefano Curiotto, Fabien Cheynis, Pierre Müller, Frédéric Leroy

Applied Surface Science 509:144667 (2020)10.1016/j.apsusc.2019.144667

Electric forces on a confined advacancy island

Frédéric Leroy, Ali El-Barraj, Fabien Cheynis, Pierre Müller, Stefano Curiotto

Physical Review B 102 (2020)10.1103/PhysRevB.102.235412

Kinetics and coupled dynamics of dewetting and chemical reaction in Si/SiO2/Si system

Frédéric Leroy, D Landru, Fabien Cheynis, O Kononchuk, Pierre Müller, Stefano Curiotto

Journal of Materials Science (2020)10.1007/s10853-020-05161-w

Nanomateriaux Structure, morphologie et stabilite

Pierre Müller

Techniques de l’Ingénieur. Techniques d'Analyse NM3010 (2020)

Propriétés des nano-objets: Longueurs critiques, effets de taille et de forme

Pierre Müller

Techniques de l’Ingénieur. Techniques d'Analyse (2020)

2019

Growth and orientation relationships of Ni and Cu films annealed on slightly miscut (1-102) r-sapphire substrates

Dominique Chatain, Blandine Courtois, Igor Ozerov, Nathalie Bozzolo, Madeleine Kelly, Gregory S Rohrer, Paul Wynblatt

Journal of Crystal Growth 508:24-33 (2019)10.1016/j.jcrysgro.2018.11.024

2D nanostructure motion on anisotropic surfaces controlled by electromigration

Stefano Curiotto, Pierre Müller, Ali El-Barraj, Fabien Cheynis, Olivier Pierre-Louis, Frédéric Leroy

Applied Surface Science 469:463-470 (2019)10.1016/j.apsusc.2018.11.049

Atomic Transport in Au-Ge Droplets: Brownian and Electromigration Dynamics

Frédéric Leroy, Ali El-Barraj, Pierre Müller, Fabien Cheynis, Stefano Curiotto

Physical Review Letters (2019)

Origin of an unusual systematic variation in the heteroepitaxy of Ag on Ni-the roles of twinning and step alignment

P. Wynblatt, Dominique Chatain, A D Rollett, U. Dahmen

Acta Materialia 168:121-132 (2019)10.1016/j.actamat.2019.01.049

Modeling grain boundary and surface segregation in multicomponent high-entropy alloys

Paul Wynblatt, Dominique Chatain

Physical Review Materials 3 (2019)10.1103/PhysRevMaterials.3.054004

Financement

Ingénierie moléculaire et matériaux fonctionnels Sources et sondes ponctuelles 2 Mouillage et interfaces 1

  • ANR AHEAD (Analysis of High Entropy Alloy Dewetting)

  • ANR GIBBS (Grain (Interface) Boundaries:  Behaviour and Segregation)

  • ESA (European Space Agency) LIPHASE (Liquid Phase Separation in Metallic Alloys)

Équipements

e-PICS

Mouillage et Interfaces 6
Plateforme e-PICS

Plateforme in-situ sous ultra-vide (UHV) pour l'étude de la chimie et de la structure d'échantillons par multi-analyses d'électrons.

Un canon d'électrons UHV (Orsay-Physics) est implanté sur une chambre ultra-vide équipée de plusieurs détecteurs/analyseurs d'électrons :
  • détecteur d'électrons secondaires pour imager (Orsay-Physics)
  • spectromètre d'électrons Auger pour analyser la chimie de surface (STAIB)
  • caméra d'acquisition de cliché de diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) pour déterminer la structure et l'orientation (OXFORD instruments).

L'échantillon peut être préparé dans une chambre annexe avant d'être transféré sous UHV sur un porte-échantillon chauffant mobile en x-y-z et en rotation autour d'un axe horizontal.

Préparation échantillons
  • nettoyage par bombardement ionique Ar
  • dépôt PVD in situ à partir de différentes sources située dans la chambre principale

Mouillage et Interfaces 5
Plan schématique de la plateforme

Caractérisation des phases/évolution de la morphologie
  • recuit in-situ (jusqu’à 1050 K)
Acquisition/traitement de données
  • Images en électrons secondaires avec une résolution de 10 nm à 25 kV
  • Composition de surface (électrons Auger) résolution 80 microns (cartographie avec une résolution meilleure que 1 micron en 2019)
  • Structure 3D et orientation (EBSD) résolution 30-50 nm
  • Autres mesures ou sollicitations possibles moyennant l'intégration de nouveaux capteurs.

FOX

Four équipé d'un tube étanche en alumine pour recuit d'échantillons sous flux de gaz à pression partielle d'OXygène (PO2) contrôlée. Des hublots en bouts du tube permettent d'observer la forme des échantillons en fonction de la température (point de fusion) et de la PO2 (mouillage).

Préparation échantillons
  • recuit sous flux de mélanges de gaz (Ar, O2, H2, CO2), jusqu’à 1250°C
  • tube en alumine dédié par matériau pour éviter la contamination
Acquisition de données
  • Enregistreur des cycles thermiques et mesure de point de fusion
  • Visualisation des profils d'échantillon/de goutte posée grâce à un système caméra-moniteur avec enregistrement et/ou impression d'images.

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Figure : FOX en configuration d'étude de mouillage.

Collaborations

CINAM

  • NM (L. Michez, L. Santinacci)
  • TSN (C. Varvenne)

 

National

  • Ecoles des Mines-Paritech (Sophia-Antipolis, Saint Etienne)
  • IMN (Institut des Matériaux de Nantes)

 

International

  • Carnegie Mellon University (Pittsburgh, USA)
  • MPIE, Max Planck Institute fur Eisenforschung (Dusseldorf, Germany)

 

Collaboration industrielles

  • Orsay Physics (Rousset)
  • Oxford Instrument (Cambridge, GB)

Brevets

  • Procédé de croissance de films minces monocristallins sur wafer de saphir

069 // STEPPHIRE - Réf/CNRS : DI11692-01 - Réf/AMU : 18D051 - Dépôt de la demande de brevet européen.

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