Note publique d'information : Au cours des 30 dernières années, l'intérêt fut très marqué pour la recherche dans
le domaine des couches minces dures et résistant à l'usure. Des matériaux ont été
développés sous forme de couches minces céramiques pour des applications industrielles
telles que des outils de coupe, des pièces automobiles et différents composants de
machine. Les matériaux en jeu étaient, TiN, TiAlN, TiC, SiC, WC et carbone adamantin
(DLC) par exemple. Cependant, les besoins technologiques et industriels d'aujourd'hui
nécessitent l'utilisation des couches minces avec des propriétés plus évoluées. Pour
cela, le système ternaire B-C-N avec ses phases ultra-dures a attiré beaucoup l'attention
ces dernières années. Le carbure de bore (B4C) en particulier, avec sa haute dureté
et son module d'Young élevé en plus de ses autres propriétés intéressantes, est l'un
des matériaux les plus prometteurs. Une autre possibilité repose sur le carbonitrure
de bore (BCN) qui présente des propriétés différentes en raison de la combinaison
possible de plusieurs phases telles que le diamant, le nitrure de bore cubique (c-BN)
et le nitrure de bore hexagonal (h-BN). Une recherche bibliographique détaillée indique
le fait que ces deux matériaux n'ont pas été suffisamment étudiés quand sous forme
de couches minces. Le carbure de bore est l'un des matériaux les moins étudiés dans
le cas de techniques de dépôt en phase vapeur telles que la pulvérisation cathodique.
C'est également le composé le moins étudié dans le diagramme ternaire B-C-N. D'autre
part, dans la bibliographie, presque tout l'effort a porté sur le dépôt du nitrure
de bore cubique. Il existe très peu d'études centrées sur l'effet de l'incorporation
d'azote dans la structure de carbure de bore et les différentes phases qui pourraient
être obtenues. Le but de ce travail est d'étudier, en premier, l'effet de différents
paramètres de pulvérisation sur les propriétés des couches minces de carbure de bore
et d'établir des relations entre paramètres de dépôt, croissance des couches de carbure
de bore et propriétés mécaniques et d'usure-frottement. Le deuxième objectif est d'étudier
l'effet de l'incorporation d'azote dans la structure de carbure de bore pour établir
une couche de carbonitrure de bore avec une dureté et une ténacité optimales ainsi
qu'une résistance à l'usure élevée. Trois types de couches de carbure de bore bien
adhérentes et homogènes ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron classique
à courant continu (DC), pulvérisation cathodique magnétron DC assisté par plasma et
pulvérisation cathodique radiofréquence (RF). Les couches minces de carbonitrure de
bore déposées par pulvérisation cathodique magnétron a courant continu en mode réactif
avec addition d'azote dans la composition du gaz plasmagène ont été également étudiées.
La conception de multicouches fonctionnelles a permis de déposer des couches de carbure
et carbonitrure de bore plus épaisses et adhérentes. Une cible de carbure de bore
conductrice, produite par pressage à chaud de poudres de carbure de bore et une cible
de carbure de bore commerciale ont été utilisées pour les dépôts par décharge à courant
continu et RF respectivement. L'effet des paramètres de dépôt sur les différentes
propriétés des couches a été évalué par plusieurs techniques de caractérisation. La
composition élémentaire des dépôts a été déterminée par microsonde électronique de
Castaing (EPMA). La microscopie à balayage électronique haute résolution avec un canon
à émission de champ (FE-SEM) a servi à examiner la microstructure et la topographie
des couches. Les profils de profondeur élémentaires des dépôts ont été obtenus par
spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) et les propriétés nanomécaniques
ont mesurées par nanoindentation. Le comportement tribologique des dépôts a été étudié
en utilisant un tribomètre « pion-disque ». Les liaisons chimiques ont été identifiées
par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). La nanostructure
et la cristallinité des couches ont été caractérisées grâce à des observations par
microscopie électronique en transmission (TEM). Les résultats ont démontré que les
couches de carbure de bore constituent de bons revêtements à dureté élevée pour résister
à l'usure. Grâce au contrôle des paramètres de pulvérisation, différentes microstructures
correspondants à différentes propriétés ont pu être obtenues. Grâce à l'incorporation
de l'azote dans la structure de carbure de bore, des couches présentant une dureté
optimale et une résistance à l'usure élevée ont été développées, donnant ainsi la
possibilité d'élargir la gamme d'applications pour ces dépôts. On a aussi constaté
que la conception en multicouche fonctionnelle était une façon d'empêcher le décollement
des couches et éviter des problèmes liés aux contraintes résiduelles pour les dépôts
durs et résistants à l'usure. Des couches plus épaisses de carbure de bore et de carbonitrure
de bore pour plusieurs applications industrielles, peuvent donc efficacement être
déposées grâce a une conception appropriée des différentes sous-couches
Note publique d'information : Over the last 30 years there has been a great deal of interest in the research of
hard and wear resistant coatings. There exist ceramic thin films for industrial applications
such as cutting tools, automobile and machine part including TiN, TiAlN, TiC, SiC,
WC as examples. However, increasing technological and industrial demands request thin
films with more advanced properties. For this purpose, B-C-N ternary system with its
superhard phases is of great interest during last ten years. Boron carbide (B4C) with
its high hardness and modulus besides other relevant properties is one of the most
prominent candidates. Furthermore, boron carbonitride (BCN) thin films are attracting
due to the combination of different properties as a result of that of different phases
such as diamond, cubic boron nitride (c–BN) and hexagonal boron nitride (h–BN). A
thorough literature study shows that these two materials have not been yet investigated
in details in the thin film form. Boron carbide is one of the least studied materials
by atomistic deposition techniques such as sputtering and the least studied compound
in the B-C-N ternary diagram. On the other hand, almost all the efforts were given
by different researchers to deposit cubic boron nitride. Very little only could be
found focusing on the effect of nitrogen incorporation into boron carbide structure
and on the different phases that could be obtained. The aim of this thesis study is
first to investigate the effect of different sputter deposition parameters on the
properties of boron carbide thin films and to establish a relation between deposition
parameters, growth morphologies of boron carbide films and mechanical and wear properties.
Second, to study the effect of nitrogen incorporation into boron carbide structure
and to grow optimized hard and tough BCN thin films with an improved wear resistance.
In this work, single and multilayered boron carbide and boron carbonitride thin films
were deposited by several sputtering configurations. Three types of well-adherent
and homogenous boron carbide films were deposited by conventional direct current (DC)
magnetron sputtering, plasma-enhanced DC magnetron sputtering, and radio frequency
(RF) sputtering. Boron carbonitride thin films deposited by reactive DC magnetron
sputtering with addition of nitrogen to the processing gas were also studied. Functionally-graded
multilayered designs were used to grow thicker boron carbide and boron carbonitride
films. An “in-house” produced direct current compatible boron carbide target and a
commercial boron carbide target were used for the deposition of thin films. The effect
of deposition parameters on film properties were studied by using various characterization
techniques. Elemental composition of the films was measured by electron probe microanalysis
(EPMA). Field–emission gun scanning electron microscope (FE-SEM) was used to investigate
the microstructure and the morphology of the films. Elemental depth profiles of the
coatings were obtained using a secondary ion mass spectrometer (SIMS). Nanomechanical
properties were determined by nanoindentation. Tribological properties of the coatings
were studied using “pin–on–disc” testing. Chemical bonding was investigated by Fourier
transform infrared spectroscopy (FTIR). Nanostructure and crystallinity of the films
were evaluated by transmission electron microscopy (TEM) observation. Results demonstrated
that boron carbide films are promising candidates for wear resistance and hardness
related applications. With a controlled change of process parameters, different microstructures,
thus films with different properties were obtained. With N incorporation into boron
carbide structure, optimized hard and better wear-resistant films were achieved. This
showed that application ranges may be further expanded. Additionally, it was found
that functionally-graded multilayered approach is an adequate solution to prevent
film delamination and intrinsic stress related problems of hard and wear-resistant
films. Thicker boron carbide and boron carbonitride films for several industrial applications
could therefore be deposited easily with a proper design for the different underlayers
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