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

(eng) Amongst the different elements constituting the universe, carbon has a preferential position. Indeed, this element is not only observed within the composition of all living species, but it has also a great importance for many industrial outlets. One of the most important applications, is the use of a particular structure of amorphous carbon (i.e. diamond-like carbon) as super-hard and wear resistant coating of various substrates (i.e. drill bits, hard-disk platters and hard-disk read heads, parts of motorcycles engines...). Last years, numerous studies were driven in order to develop new materials with superlative mechanical properties. In particular, the synthesis of the elusive beta-C3N4 phase has been extensively investigated since the prediction of its highly interesting physical properties by Liu and Cohen in 1989. Despites the numerous elaborate techniques attempted to date, mixed phase layers are quite often obtained and the fully crystallineBeta-C3N4 phase remains very difficult to achieve. However, even amorphous carbon nitride compounds may have suitable physical properties for the use in many tribological applications. In this work, we have studied the possibility of using the simultaneous implantation of carbon and nitrogen in copper in order to synthesise carbon nitride compounds. This method seemed to be a good solution for the following reasons: carbon and nitrogen have to form precipitates at high fluence due to their very low solubility inside copper; the interaction between carbon and nitrogen atoms during the implantation process was enhanced due to their simultaneous arrival inside copper; the high compressive stress applied by the host matrix on the precipitates favoured compact growing structures; and implantation at medium energies (typically 600 keV) allowed to deeply burry the atoms (typically 600 nm) in copper matrix in order to avoid the nitrogen migration and surface release processes. The influence of temperature on the carbon nitride structures formed during the implantation process was studied. For that purpose we performed several implantations at 25, 250, 350 or 450°C with a fluence fixed at 1 × 1E18 at/cm². The implanted samples were characterised by NRA, XPS, TEM and nano-indentation in order to study the carbon and nitrogen depth profiles, C−N type bonds, structure of carbon nitride compounds and mechanical properties, respectively. Experimental results are presented and discussed in this manuscript. Then we give some conclusions and perspectives about this work. Note that this thesis has been completed in a laboratory of nuclear reaction analysis. Special attention was consequently given to the development of a NRA method allowing to simultaneously depth profile all light elements contained in a sample. The experimental setup of acquisition and the method of data processing are described in this work.

(fre) 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.