Caractérisation de l’architecture multicouches

Comme il a été indiqué précédemment, les principales problématiques vis-à-vis du dimensionnement de BT capteurs concernent les épaisseurs et l’uniformité des

épais-seurs des couches fonctionnalisées, qui sont susceptibles d’être à l’origine d’erreurs lors

de la détermination de la température (gradients thermiques importants dans le revête-ment) [4]. Afin d’évaluer les capacités du procédé de trempage-retrait à déposer la struc-ture dimensionnée, la position et l’épaisseur des couches fonctionnalisées du prototype ont été déterminées à l’aide de cartographies de composition chimique réalisées sur la section de l’échantillon présenté au paragraphe précédent (Figure 4.11).

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Figure 4.11: (a) Micrographie MEB en mode électrons rétrodiffusés de la section du revête-ment prototype Dy-Er-Eu indiquant la zone de mesure des cartographies de composition

chi-mique en pourcentage massique des éléments (b) Zr, (c) Y, (d) Eu, (e) Er et (f) Dy.

On constate que l’augmentation de l’épaisseur de film déposé à chaque trempage en-traîne une disparité importante des épaisseurs des couches dopées Eu3+ (1-7 μm, Figure 4.11 (d)), Er3+ (12-20 μm, Figure 4.11 (e)) et Dy3+ (30 μm, Figure 4.11 (f)) par rapport à l’épaisseur ciblée (15-20 μm), malgré un nombre de trempages équivalent pour les trois couches. Cette caractéristique du procédé de dépôt par trempage-retrait, connue mais non quantifiée jusqu’alors, est ici particulièrement préjudiciable pour la couche dopée Eu3+ au niveau de l’interface céramique/métal (Figure 4.11 (d)) qui ne présente pas les

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tiques nécessaires à la fonction de capteur (épaisseur continue, uniforme et suffisante). Malgré trois trempages, l’épaisseur de cette dernière est de l’ordre de grandeur d’une partie des particules d’aérogel et des pores les plus importants, créant ainsi par endroit des dis-continuités de la couche, dont la limite avec la couche adjacente est par ailleurs mal défi-nie. Ce problème du contrôle de l’épaisseur de film déposée par trempage se retrouve éga-lement dans le positionnement incorrect de la couche intermédiaire dopée Er3+ dans la moi-tié inférieure du revêtement au lieu du centre de la BT (Figure 4.11 (e)).

Les couches intermédiaires (Er3+) et supérieures (Dy3+) présentent en revanche une bonne uniformité d’épaisseur, de densité et de composition, mis à part une légère variation d’épaisseur qui semble suivre la variation de l’épaisseur totale du revêtement (Figure 4.11 (a) et (e)), supposée être liée aux conditions de mise en œuvre mentionnées au paragraphe 2.2.2 précédent. Les interfaces entre ces couches sont nettes et bien délimitées malgré la di-versité des populations en taille de particule d’aérogel qui laissait craindre la possibilité que la présence de très larges particules puisse perturber l’uniformité spatiale des couches. La présence de particules en dehors des limites de leur couche d’origine reste très ponctuelle (Figure 4.11 (c)) et n’est pas de nature à affecter la précision des mesures de température. Ceci confirme donc l’absence de contamination des différents sols chargés lors des

trempages successifs dans des sols de compositions différentes. On peut noter également l’absence de diffusion significative des ions Ln3+ ainsi que des ions Y3+ entre les différentes couches au cours du frittage à 950°C.

Le facteur limitant du dépôt de BT capteurs arc-en-ciel est donc le con-trôle des épaisseurs déposées à chaque trempage, qui varient tout au long du processus et affecte la précision sur la position et les dimensions des couches fonctionnalisées. La fabrication ce type de revêtement nécessite de pouvoir contrôler ces

paramètres, i.e. de connaitre cette évolution de l’épaisseur déposée à chaque trempage. L’amplitude de celle-ci a donc été caractérisée à partir de nouvelles cartographies de com-position chimique réalisées sur un revêtement multicouches constitué d’une alternance de

dix couches de zircone YSZ dopée Tm3+ et non dopée (5 couches de YSZ:Tm3+ et 5 couches de YSZ, Figure 4.12).

L’échantillon présente, comme certains autres revêtements déposés par trempage-retrait, des oscillations périodiques de l’épaisseur totale qui varie entre 150 μm et 230 μm. Les Figure 4.12 (b) et (c) correspondent aux cartographies chimiques de l’élément Tm re-présentatives des zones de forte et de faible épaisseur respectivement. On observe dans les deux cas une nette augmentation de l’épaisseur de revêtement déposée à chaque

trempage, les trois derniers trempages sur les dix représentant jusqu’à plus de 50% de

l’épaisseur totale. Dans certaines zones de plus faible épaisseur (Figure 4.12 (c)), il n’est parfois pas possible de distinguer les deux premières couches (YSZ:Tm3+ et YSZ), alors que les dix sont observables dans les zones de plus forte épaisseur ((Figure 4.12 (b)). Ceci est le résultat d’épaisseurs déposées très faibles et irrégulières lors des tous premiers

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(c)), et particulière problématique pour la fonctionnalisation de la couche au niveau de l’interface avec la couche de liaison.

Figure 4.12: (a) Schéma de la section de la BT multicouches YSZ/YSZ:Tm3+ utilisée pour ca-ractériser les épaisseurs déposées à chaque trempage durant une campagne de trempage-retrait ; micrographies MEB et cartographies de composition par microsonde de l’élément Tm issues des zones (b) de forte et (c) de faible épaisseur de cette BT ; (d) évolution de l’épaisseur

moyenne de film déposée à chaque trempage dans les zones de forte et de faible épaisseur.

L’évolution de l’épaisseur de film moyenne déposée à chaque trempage dans les zones de forte et de faible épaisseur du revêtement en fonction du nombre de trempage est tracée sur la Figure 4.12 (d). Elle augmente de manière constante et quasi-linéairement entre 1-5 μm et 25 μm aux cours des 9 premiers trempages, puis augmente très fortement

lors du dixième et dernier trempage (48-75 μm déposé). À partir du 7ème trempage,

l’épaisseur déposée par trempage (>15 μm) excède l’épaisseur désirée pour une couche des-tinée à la mesure de la température (idéalement 10-20 μm). La Figure 4.12 (d) permet éga-lement d’identifier les différences entre les zones du revêtement de faible et de forte épais-seur. Celles-ci sont principalement marquées pour les trois premières couches ainsi que la

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dernière. Pour les couches inférieures, les faibles épaisseurs déposées en début de dépôt (< 10-15 μm) permettraient, dans le cas où les conditions de dépôt sont maîtrisées et la rela-tion entre l’épaisseur de film et le nombre de trempage est connue, d’ajuster l’épaisseur et la position des couches fonctionnalisées en jouant sur le nombre de trempages. Pour les couches supérieures, pour lesquelles les épaisseurs déposées par trempage sont plus impor-tantes que celle désirée pour une couche fonctionnalisée, il est nécessaire d’adapter d’autres paramètres de dépôt, telle que par exemple la vitesse de retrait qui a également un effet sur l’épaisseur déposée [8,10].

Le dépôt de BT arc-en-ciel nécessite donc une meilleure compréhension et maîtrise du procédé dans le cadre du dépôt de couches individuelles, de manière à pouvoir prédire les épaisseurs déposées par trempage, tout en éliminant certains problèmes tels que les in-homogénéités d’épaisseur et les surépaisseurs (Figure 4.12 (b)-(d)). Le modèle théorique classique de Landau et Levich [214,215], permettant de prédire l’épaisseur de film déposée par trempage pour un fluide newtonien, n’est pas valide pour les sols chargés, dans lesquels les phénomènes sont plus complexes en raison du comportement des particules et des inte-ractions particules/sol. Les résultats présentés sur la Figure 4.12 montrent cependant que la microsonde électronique constitue un outil bien adapté à la caractérisation de cet aspect du procédé, qui se prête donc bien à son optimisation. Il est estimé que le procédé de

trempage-retrait, dans de bonnes conditions de mise en œuvre (paramètres de dépôt maitrisés et opérateur expérimenté), puisse permettre le dépôt avec pré-cision d’architectures de BT arc-en-ciel adaptées à la mesure du gradient ther-mique.