Modélisation multiéchelle de la structuration des interfaces dans les nanothermites multicouches Al/CuO déposées en phase vapeur

• Main Author: Lanthony, Cloe
• Language: fra
• Published: Université Paul Sabatier - Toulouse III 2014
• Subjects: [SPI:NANO] Engineering Sciences/Micro and nanotechnologies/Microelectronics; [SPI:NANO] Sciences de l'ingénieur/Micro et nanotechnologies/Microélectronique; Modélisation; Multiéchelle; Matériaux énergétiques; DFT; Monte-Carlo cinétique
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00979648; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/97/96/48/PDF/TOTALITE.pdf

Parmi la variété de matériaux énergétiques existants, les nanothermites sont aujourd'hui largement étudiées et utilisées grâce à leur caractéristique principale qui est de libérer une grande quantité d'énergie lors de la combustion d'une petite quantité de matériau. Nous avons choisi de travailler avec les nanothermites sous forme d'empilement de couches d'aluminium et d'oxyde de cuivre afin de maximiser cette densité d'énergie (valeur théorique : 21 kJ/cm3) et ainsi optimiser le rendement énergétique du matériau à des fins d'application industrielle. Cette succession de couches nanométriques est réalisable par un procédé de dépôt en phase vapeur (PVD) de type pulvérisation cathodique classique ou réactive. Étant donné que les couches d'aluminium et d'oxyde de cuivre sont déposées alternativement, on observe toujours la formation de couches de mélange aux interfaces, lorsque le matériau est déposé directement au contact de la couche précédente. Ces zones de mélange sont bien identifiées visuellement mais non caractérisées chimiquement : elles sont composées d'aluminium, de cuivre et d'oxygène en proportions inconnues. Ces couches barrières constituent à la fois une barrière physique à l'interdiffusion des espèces, moteur de la réaction chimique énergétique, et une perte de matériau puisque les atomes qui les composent ne sont plus réactifs. Ainsi la nanothermite voit sa stabilité augmentée au détriment de ses performances énergétiques, ce qui pose un problème en termes de fiabilité et de reproductibilité. La maîtrise de la formation de ces couches barrières, en passant par la compréhension des mécanismes mis en jeu durant le procédé de dépôt, est donc un enjeu important vers la maîtrise de la réactivité des nanothermites multicouches Al/CuO. Afin de comprendre comment se passe ce mélange aux interfaces et en déduire la structure résultante de la couche de mélange, nous avons choisi d'utiliser la modélisation puisque l'outil numérique permet aujourd'hui d'étudier la matière à des échelles de taille et de temps non accessibles expérimentalement. La présente thèse est un travail de modélisation multiéchelle constitué de deux phases d'étude correspondant à des échelles physique différentes. Nous y voyons d'abord la réactivité d'une surface d'aluminium au contact de l'oxyde de cuivre grâce à un code commercial (VASP) utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Ensuite nous utilisons ces résultats à l'échelle atomique pour la construction d'un simulateur à l'échelle mésoscopique de type Monte-Carlo cinétique (KMC). Le simulateur mis au point est capable de déposer une couche de matière sur une surface pure d'aluminium Al(111) et permet d'observer un mélange précoce des espèces dans les premiers temps du dépôt. Les premières briques du simulateur étant posées, ce travail est le début d'une étude plus ambitieuse vers l'élaboration d'un outil prédictif de la structure et la composition des couches barrières en fonction des conditions expérimentales de dépôt (température, pressions partielles de la phase gazeuse, temps d'expérience). Cet outil devrait permettre, à terme, de faire de la nanoingéniérie inversée, c'est-à-dire d'adapter les conditions de fabrication des nanothermites en fonction des performances finales désirées.