HAL Id: jpa-00212982
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00212982
Submitted on 1 Jan 1964
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of
sci-entific research documents, whether they are
pub-lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d’enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.
Les monocristaux filamentaires métalliques
R. Jouty, M. Régis
To cite this version:
208 A.
EXPOSÉ
ET
MISE
AU
POINT
BIBLIOGRAPHIQUE
LES MONOCRISTAUX FILAMENTAIRES
MÉTALLIQUES
Par R. JOUTY et M.
RÉGIS,
Laboratoire de
Physique
desMétaux,
Faculté des Sciences deMontpellier.
Résumé. 2014 Nous étudions successivement les différents
types
de trichites ou « whiskers »métalliques
qu’on
peut
fabriquer
parplusieurs
méthodes. Lespropriétés
de ces monocristaux sontexposées
ensuite ainsi que lesprincipales
théoriesproposées
pourexpliquer
leur formation.Abstract 2014 We shall
study
differenttypes
of metal whiskers which can be grownby
several methods. Theproperties
of thesemonocrystals
and theories of whiskergrowth
are discussed.PHYSIQUE
PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME
25,
NOVEMBRE 1964, PAGEI. Introduction. - Ces cristaux sont
plus
connus sous les noms dec trichites
», «poils
», « barbes » ou « whiskers ». Ils sont intéressants pour deux raisons :ce sont des échantillons cristallins très
proches
de l’étatparfait ;
ilspossèdent
despropriétés mécaniques
remarquables.
Bien
qu’on
connaisse leur existencedepuis
fortlongtemps,
les mécanismes de croissance en sont encoreinexpliqués
dans laplupart
des cas. On les classe suivant leur provenance :a)
Les «proper-whiskers
»poussent spontanément,
sur dessupports
métalliques,
engénéral.
b)
Les «squeeze-whiskers
» ressemblentbeaucoup
aux «proper-whiskers
». On les obtient enexerçant
une très fortepression
sur unepièce
métallique.
Ceprocédé
permet
d’obtenir des trichitesrapidement,
enparti-culier pour l’étain.
c)
Les «électrolytic-whiskers
»,. comme leur noml’indique,
se forment au coursd’électrolyses.
d)
Les « chemical-whiskers » sont obtenus pardé-composition chimique.
Ilscomprennent :
lespoils
métalliques
provenant
d’halogénures
ou desulfures ;
les
poils d’oxydes,
d’hydrexydes,
ou autrescomposés,
formés sur le métal.e)
On a pu aussipréparer
despoils
par condensation de vapeur. Ceprocédé,
utilisé pourfabriquer
despoils
de mercure et degraphite,
a été utiliséplus
récemment pour obtenir despoils
de différents métaux. Les tri-chites ainsi formées sont engénéral
minuscules. Leurs vitesses de croissance sontcomparables
à celles des «chemical-whiskers
».f )
Un dernier groupe depoils comprend
ceuxpous-sant à l’intérieur des
liquides
et des solides et ceux formés par cristallisation des solutions. Ce groupe se compose enmajorité
de cristaux nonmétalliques.
Ilspoussent
en forme defibres,
c’estpourquoi
on les assimile à deswhiskers,
au moins enpremière
approxi-mation.
Tous ces whiskers sont des monocristaux
plus
oumoins
parfaits.
Nous étudierons les différentesmé-thodes de
préparation
de ces cristaux(en
nous limitantaux whiskers
métalliques)
leurspropriétés,
et enfin lesprincipaux
mécanismes de croissanceproposés.
’II. Méthodes de
préparation
des whiskers.Caracté-ristiques générales.
-a)
LES « PROPER-WHISKERS » ET « SQUEEZE-WHISKERS ». - Lesproper-whiskers
pous-sent à
partir
dusolide,
sans que les atomesqui
cons-tituent lespoils
passent
par unephase
intermédiaire.Ils
poussent
soit sur le métalbrut,
soit sur des métauxplaqués
en minces couches sur d’autres métaux.On
a pu vérifier[1], [2], [3]
que les whiskerspous-sent facilement sur des couches très minces
(0,25
mi-cron),
moins bien sur des couchesplus épaisses
(10
mi-crons)
et avecplus
de difficultés encore sur le métal brut(en
masse).
Ils népoussent jamais
sur les mono-cristaux à moinsqu’on
ne soumette le monocristal à de très fortes contraintesmécaniques (1).
Leurcrois-sance est influencée par la nature du
support.
Ainsi, lespoils
d’étainpoussent
très facilement sur du ferplaqué
d’étain,
et très difficilement sur de l’or ou du cuivreplaqué
d’étain. Leur croissance s’accélèrelorsqu’on
augmente
latempérature,
et aussi enprésence
d’oxy-gène
atmosphérique
et de vapeur d’eau[1], [4].
Les trichites ne
poussent
pas avec une vitesseuni-forme.
Après
lapériode Il
d’induction
",
la croissancedevient
rapide
dans la secondepériode, puis
lavitesse diminue
progressivement
et s’annule[1].
Lesproper-whiskers
sont normalement droits maispré-sentent
quelquefois
des coudes ou des branches. Il faut noter deux curieuses observations.Lapre-mière est due à Baker et Koelher
[4], [5].
Unpoil
peut
avoir une sectionbeaucoup plus grande
que la tailledu
grain
de la couche mince surlaquelle
il pousse. Lediamètre du
poil
peut
êtresupérieur
àl’épaisseur
dela couche mince.
(1)
Pourtant, un article deEdwards [8]
décrit la crois-sance de whiskers d’alumine sur unsupport
d’alumine monocristallin. Ces trichitesqui
poussent
dans des direc-tions bien déterminées, sont obtenues parchauffage
à 1400° de limaille d’aluminiumprès d’un
monocristald’alumine,
en
présence
d’hydrogène
humide.209 A
L’autre
expérience
a été faite par J. Franks[6]
enétudiant une zone où
poussaient
de nombreuxpoils.
Adçs
intervalles detemps
réguliers,
Franks essuiecette
région
à l’aide d’un fin tissu pour fairedisparaître
les whiskers. Il observe que la croissance recommence,
toujours
aux mêmes endroits. Certaines sources rede-viennent activesaprès
plusieurs cycles
de repos. Uneseule source
peut
produire
unelongueur
totale depoil
de 1 cm, bien que la
longueur
totale d’unpoil,
dans cesexpériences,
nedépasse jamais
un millimètre.Fisher
[7]
a montré que la vitesse de croissancepouvait
être considérablement accrue enappliquant
une fortepression
sur lapièce métallique
oùpoussent
lespoils,
d’où l’intérêt dessqueeze-whiskers qui
se forment trèsrapidement.
Peu à peu les squeeze-whiskers ontremplacé
lesproper-whiskers
comme’ objets
d’étude,
car onpeut
les obtenir trèsrapidement,
ilspossèdent
à peuprès
les mêmespropriétés
et pous-sent certainement suivant un mécanismeanalogue.
Les vitesses de croissance dessqueeze-whiskers
sont très variables etpeuvent,
dans le cas de whiskersd’étain,
atteindre1/2 micron/seconde,
tandis que cellesdes
propers-whiskers
atteignent
rarement 1angstrom
seconde. Lapression
subie par lesupport
et latempé-rature sont les deux facteurs
qui
influent defaçon
pré-pondérante
sur la vitesse de croissance dessqueeze-whiskers.
b)
ELECTROLYTIC-WHISKERS. - Lèselectrolytic-whiskers furent découverts dans l’étude du
dépôt
élec-trolytique
del’argent
àpartir
de solutions concentréesde
N03Ag,
par Aten etBoerlage
en 1920[9].
On a d’abord
supposé
qu’une
densité de courantélevée était nécessaire à leur formation.
Lorsque
les whiskers commencent à se former sur lacathode
leslignes
de courant ont tendance à se concentrer sur eux. La densité de courant sur l’extrémité du whisker est doncplus
élevée quepartout ailleurs,
les ionsmétal-liques s’y
déposeront préférentiellement.
La
vitesse
de croissance despoils dépend
de la den sité moyenne de courant utilisée. Lespremiers
travaux ont été effectués sur despoils
deplomb,
et pour des densités de courant très élevées. Les courbesexpéri-mentales donnant la vitesse de croissance des
poils
deplomb
en fonction de la densité de courant ont laFIG. 1.
forme de la courbe de la
figure
1. Il y a unepremière
région
pourlaquelle
la vitesse decroissance
est très faible. Dans larégion
suivante,
la vitesse de croissanceaugmente
beaucoup
pour une densité de courant variant peu.Ensuite,
la croissancen’augmente
que très lentement pour des densités de courant très élevées. Les courbesprésentent
souvent une inflexion entre la seconde et la troisièmerégion.
Il faut
donc,
pour obtenir une croissanceappréciable,
ajuster
la densité de courant moyenne defaçon
à se trouver dans la seconderégion,
c’est-à-direemployer
une densité de courant relativement basse. Les autres
facteurs favorisant la croissance sont : une
concen-tration élevée en ions
métalliques ;
une bonneagita-tion de la
solution ;
la solution doit être trèsconduc-trice ;
latempérature
doit être élevée et la viscositéfaible.
On a
produit
par cettevoie,
despcils
d’étain et decuivre, et,
plus
difficilement,
despoils
de zinc et de cadmium. Lespoils
de cuivre sont monocristallins oupolycristallins
suivant les conditions.Des chercheurs Russes
[10]
ont établi que la vitesse dedépôt
par unité de surface est uneconstante,
et quele processns de formation des
poils
introduit des varia-tionspériodiques
dupotentiel
des électrodes. Lestra-vaux de
Price,
Vèrmilea et Webb[11]
ont montré quedans des
conditions
déterminées-d’électrolyse
de solu-tionscontenant
certainesimpuretés spécifiques,
unmétal
peut
sedéposer
sous forme depoils.
Lesimpu-retés sont constituées par de grosses molécules
d’acides
gras.
c)
CHEMICAL-WHISKERS. - Lespremières
obser-vations de chemical-whiskers remontent au siècle dernier. Ona
pu, toutd’abord,
fabriquer
despoils
d’argent
et d’étain par des réactions deplusieurs
types :
décomposition
thermique
ou réduction de diverscomposés
métalliques.
La méthode la
plus
utilisée actuellement est celle de Brenner[12].
Ellepermet
d’obtenir des whiskers decuivre,
d’argent,
defer,
denickel,
decobalt,
demanga-nèse,
àpartir d’halogénures,
par réduction àl’hydro-gène
à hautetempérature.
Les whiskers, d’or et deplatine
s’obtiennent pardécomposition thermique
d’unhalogénure.
Brenner aindiqué
danschaque
cas, les domaines detempérature
danslesquels
la croissanceest favorisée.
On
produit
ainsi des trichites dont lalongueur
va dumillimètre à
plusieurs
centimètres,
et les diamètres de 1 à 100 microns environ. Certaines trichitesprésentent
des coudesbrusques.
On a montré dansplusieurs
cas que l’orientation du cristal est la même au-dessous etau-dessus du coude. Ce sont donc des monocristaux.
Les
poils
provenant
dedécomposition chimique
pré-sentent
parfois
des structuresexceptionnelles.
Ilspoussent
en
hélices,
, ou bien ils sonttordus
sur euxmêmes ;
ilss’élargissent
quelquefois
en forme delames.
Les whiskers
d’oxydes métalliques
poussent
engénéral
sur le métalaprès
chauffage
dans l’air.d)
WHISKERS OBTENUS PAR CONDENSATION DE VAPEUR. - Il est très courant d’observer enchimie,
des cristaux en forme de filaments obtenuspar
sublimation.
On a pu ainsi
préparer
des monocristaux filamentaireset de
graphite.
Sears[13]
a fait pousser despoils
demercure par ce
moyen, le
dispositif expérimental
étant le suivant : Uneenceinte,
dans
laquelle
lapression
résiduelle est de l’ordre de 10-5 millimètre de mercure,
contient une certaine
quantité
de mercure, maintenu à latempérature
TR.
On refroidit laparoi
opposée
jusqu’à
latempérature
Tc
qui
restera constantepen-dant la durée de
l’expérience ;
les trichitesapparais-sent sur cette
paroi.
Latempérature
Tv
de la vapeurest contrôlée aussi
Dans ces
expériences,
leparamètre
qui joue
un rôledirecteur est le
rapport
desursaturation,
défini de lafaçon
suivante : soit p lapression
de vapeur actuelledu mercure à l’état gazeux ; soit po la
pression
devapeur du mercure solide à la
température
despoils ;
le coefficient de sursaturation a est alors : ,
PIPO
Sears
remarque
que la cristallisation ne seproduit
pas tant que a reste inférieur à 100. Si doncTR
est tel que lapression
de vapeur reste inférieure à lapression
critique,
lespoils n’apparaissent
pas. SiTR
estmain-tenu fixe
au-dessus
de latempérature
critique,
lapopu-lation
,en
cristaux reste
fixe. Dans l’expérience de
Sears,
latempérature
de cristallisationTec
estmain-tenue à - 63 °C. Par ce
moyen, Sears obtient des
whiskers de mercure dont la
longueur
atteint lemilli-mètre. Le mécanisme de leur croissance
proposé
parSears sera
exposé
plus
loin.III.
Propriétés
des trlchftes. - 1. PROPRIÉTÉSMÉ-CANIQUES. -
a)
Essais deflexion :
Les essais de flexionont é é les
premières expériences
effectuées sur destrichites. Ces essais ont mis en évidence les
propriétés
exceptionnelles
des trichites et sont àl’origine
detoutes les études récentes sur ces cristaux.
Ces
expériences
nécessitent unmontage
simple:
ilsuffit de courber le cristal à l’aide d’un outil en forme de
tige mince,
dans lechamp
d’unmicroscope.
La mesure du rayon de courbure R s’effectue parphoto-graphie,
ainsi que la mesure du rayon de la trichite r.Cette dernière mesure est entachée d’une erreur
dépas-sant 10
%
lorsqu’on
utilise des trichites dont les dia-mètres sont de l’ordre du micron.D’après
une formuleclassique,
lerapport
r/R
estégal
aupourcentage
d’allongement élastique
correspondant
à la contrainteimposée.
Galt
etHerring [14] qui
lespremiers
ont fait cetteexpérience
ont trouvé pour des trichites d’étain despourcentages
de l’ordre de 2%.
Parcomparaison,
unemasse mono ou
polycristalline
d’étaincommence
nor-malement à fluer pour une déformation de l’ordre de0,01
%.
Les essais de flexion effectués sur de nombreuses
trichites de toutes natures ont
permis
de,trouver des valeurs aussigrandes
que celles données parHerring
et Galt. Ces valeurs sont
égales,
à moins d’un facteurdix
près,
aux valeursthéoriques
estimées pour des cristauxparfaits.
Ces
expériences
sont facÎ1rs à réaliser maispré-sentent
plusieurs
inconvénients : la contrainteappli-quée
estinhomogène,
ainsi certains whiskersd’argent
et d’étain
[15]
ont pusupporter
des contraintesbeau-coup
plus grandes
par flexion que partraction,
où lepourcentage
d’allongement
limite était de l’ordre de0,3
%.
Parailleurs,
on nepeut
déterminer avecpré-cision la limite
élastique
de l’échantillon par desexpé-riences de flexion.
Lorsque
la contrainte est telle quela limite
élastiqne
estdépasfée,
le cristal secoude,
les deuxparties
faisant un certainangle qui
n’est pasquelconque.
Apartir
de whiskerscoudés,
de cettefaçon
ounaturellement,
Brenner a pu réaliser les curieusesexpériences
de «dekinking»
que nous verronsplus
loin. ,b)
Essais de traction : Lesexpériences
detraction,
plus
délicates àréaliser,
nécessitent la constructiond’extensomètres
spéciaux.
Certainsappareils
permet-tent de mesurer
uniquement
la force exprcée sur lecristal,
tandis que d’autrespermettent
d’obtenir à lafois la force et
l’allongement correspondant
du whisker.(1)
Domaineélastique.
- Lesprincipaux
rensei-gnements
fournis par les essais de traction sont :-la
limiteélastique
est de 100 à 1 000 foissué-rieure à celle du
matériau
brut ;
- la résistance à la traction est
égale,
à un facteur dixprès,
à celle calculée ou estimée pour des cristauxparfaits ;
’- les modules
d’Young
ainsi mesurés pour des whiskers sont engénéral égaux
à 20% près
auxmo-dules
d’Young
des métauxpolycristallins.
L’incerti-tude
provient
de l’erreur commise sur la mesure de la section dupoil ;
- au-dessus d’une certaine
déformation,
tout enrestant dans un domaine de déformations faibles
(de
l’ordre du
%),
Brenner et al.[16]
ont observé quela loi de Hooke n’est
plns
vérifiée dans le cas de cer-tains métaux(Zn, Fe, Ni).
Demême,
la relationcon-trainte-allongement
n’estplus
linéaire dans le casde
AI,03
pour une déformationsupérieure à
2%.
Latempérature
semble avoir une influence sur la limiteélastique
des whiskers. DPsexpériences
detraction à basse
température (160 °K)
réalisées sur despoils
de cadmium[17]
ont montré que la limitesélas-tique
estenviron
le double decelle
àtempérature
ambiante.
D’autre
part,
lacharge
derupture
obsPrvée à 150 °Cpour des trichites de fer
est,
dans ungrand
nombre decas,
beaucoup plus
faible que celle observée àtempé-rature ambiante.
Si, après rupture à
cettetempérature,
on soumet les deux moitiés de la trichite à des essais detraction,
il faut atteindre destempératures
beau-coup
plus
élevées pour que larupture
seproduise.
Il semble donc que les défautsresponsables
de larupture
soient assez clairsemés dans le cristal et que leur actiondépende
fortement de latempérature.
(2)
Propriétés plastiques.
- Dans certainesexpé.
riences de traction nous avons vu
qu’au-dessus
d’unecertaine
contrainte,
en restant toutefois dans ledo-maine
élastique,
la loi de Hooke n’estplus
vérifiée. Cefluage
seproduit à
température
ambiante et Cabrera aremarqué
que la déformation maximum due aufluage
estégale à
20 d(d
est lediamètre
dupoil).
Si onaugmente
ensuite lacontrainte,
lefluage
n’augmente
pas. Ce
phénomène
sembleindiquer
que les trichitps étudiées contiennent ungrand
nombre de dislocations. Engénéral, lorsque
la
limiteélastique
estdépassée
à
température
ambiante,
il y a troiscomportements
possibles
pour les whiskers :rupture
dutype
clivage.
Elle se
produit
si le matériau est normalementfragile ;
déformationplastique,
avecallongement
pouvant
atteindre 30
%
(10 %
seulement dans le cas dufer) ;
211 A
Lorsque
la déformationplastique
alieu,
on observeparfois
une bande de Luders. Si la bande de Lüderspeut
se propager sans obstacle la contrainte restepratiquement
constante dans larégion qui
aglissé.
On a observé au cours de déformations
plastiques
sur despoils
decuivre,
que,lorsque
les dimensions deswhiskers
augmentent,
il y a formation deplusieurs
bandes de Lüders
c)
Essais de torsion : Le moment M ducouple
de torsion estproportionnel
à la contrainte decisail-lement y
à
la surface. AussiEshelby [18]
aprédit
que
si une trichite contient initialement une seule dislo-cation visaxiale,
la courbe reliant Met y
doit devenirasymétrique,
la forceappliquée
tendant à faire sortir la dislocation du cristal. Laprécision
desexpériences
n’a pas
permis
jusqu’à
présent
de vérifiercette
-asymé-trie.Des
expériences
de torsion sur despoils
mono-cristallins de fer et de cuivre ont été effectuées par R. Conte[19].
Les valeurs du module derigidité
trouvées dans le cas des trichites de fer varient de1 000 à 5 000
kg/mm2,
tandis que la même mesure dans le cas de trichites de fer irradiées aux neutronsrapides
(1018
neutrons/cm2)
fournit des valeurs beau-coupplus proches
de cellesprévues théoriquement.
Ces valeurs
dispersées
trouvées dans le cas deséchan-tillons non irradiés
peuvent
s’expliquer
ensupposant
que, dans cesmonocristaux,
les dislocations sontsus-ceptibles
de mouvements réversibles. Les défauts ou lesimpuretés
influent très peu sur ces mouvements.Au
contraire,
après
irradiation,
l’influence des dé-fautsl’emporte
etgêne
ces mouvementsréversibles,
’ce
qui
a pour effetd’augmenter.
le module derigi-dité.
Il faut noter aussi les
expériences
de Eisner[39]
sur des trichites de
silicium,
dont les résultats sont en mauvais accord avec ceux dePearson,
Read etFeldman
[25]
qui
ont aussi étudié des whiskers de silicium.Les résultats
apparemment
contradictoires entredif-férents auteurs
peuvent
peut-être s’expliquer
par une attention insuffisanteapportée
audegré
deperfection
despoils
étudiés. Ilfaudrait,
à notreavis,
réserver ladénomination de «
whiskers
» ou de « trichites » auxpoils
ayant
une structure interneexempte
ouquasi-exempte
de défauts.2. PROPRIÉTÉS
MAGNÉTIQUES.
- De Blois et al.[20],
[21]
ontétudié,
sur des trichites defer,
les structuresdes domaines
magnétiques
ainsi que le mouvementdes
parois,
en utilisant lamagnétite
colloïdale pourfaire
apparaître
les domaines.Ils ont vérifié la réversibilité des mouvements des
parois
tantqu’on applique
deschamps
faibles,
et làformation de domaines
magnétiques
aux sites où ontété créés des défauts.
D’autre
part,
la théorieprévoit qu’un
cristalparfait
idéal,
après
aimantation à saturation(dans
une direc-tion de facileaimantation)
conserve une aimantation rémanente tantqu’on
n’exerce pas, dans la directionopposée,
unchamp
coercitif dont la valeur calculéeest,
dans le cas du fer :
Hk
= 560 oersteds à 25 OC.Or,
dans les échantillons de fer puremployés
habi-tuellement,
on observe couramment deschamps
coer-citifs de l’ordre de 1 à 10-2 oersted. Cette valeur très
faible est attribuée à la formation de domaines aux
sites contenant des défauts
(impuretés, joints
degrains,
irrégularités
desurface, etc...).
Il était donc intéressant de mesurer le
champ
coer-citif dans le cas des trichites defer,
étant donné leurperfection
apparente
et leurpetit
nombre de domaines(en
général,
les trichites lesplus
minces constituent un seul domainemagnétique).
Lesexpériences
de De Blois ontpermis
delocaliser,
sur des trichites defer,
desrégions
danslesquelles
l’aimantation rémanente nedisparaît
quelorsqu’on applique
deschamps
de l’ordre de 500 oersteds. Engénéral,
lechamp
coercitif atteint des valeurs aussigrandes
dans lapartie
centrale dechaque whisker,
moinsendommagée
parmanipulation
que les extrémités. Un tel résultat confirme à 15
%
près
la valeurprévue
théoriquement
pour lechamp
coercitif dans le cas d’un cristalparfait.
On a pu aussi effectuer des
expériences
de résonanceferromagnétique
sur des trichites formées par réduc-tion deFeBr2..
L’expérience
de résonancespeut
s’effectuer enlais-sant constante la
fréquence
duchamp
alternatif hautefréquence
et en faisant varier lechamp
statique.
Cesexpériences
permettent
de mesurer lerapport
entre lafréquence
de résonance etl’amplitude
duchamp
sta-tique,
et d’autrepart
lalargeur
de la banded’absorp-tion à la résonance.
Les
expériences
de Rodbell[22]
réalisées sur destrichites de fer sélectionnées pour leur
perfection,
ontpermis
de trouver que lalargeur
de la banded’absorp-tion à la résonance est
beaucoup
plus
faible que celletrouvée pour d’autres cristaux de fer. Ceci
suggère
quela
largeur
de la banded’absorption
est sensible à laperfection
cristalline etdonc,
que les whiskers de fer utilisés étaient des cristaux «parfaits ».
Rodbell a établi d’autre
part
que lalargeur
de bandeaugmente,
énormémentlorsqu’on
dépasse
lepoint
deCurie
Tc
et,
au-dessus,
devientproportionnelle
à( T -
Tc).
3. CHANGEMENT DE PHASE. - Dans les
poils
defer,
la transformation de laphase
oc enphase
y, à 910OC,
s’accompagne
de distorsions et debrusques
formations decoudes,
sans doute dus à unetransformation
loca-lisée. En refroidissant au-dessous de latempérature
detransition,
de nouvelles distorsionsapparaissent.
Pourtant des whiskers très fins
(diamètre = 0,1
mi-cron)
formés à 950 °C par condensation de vapeur defer
peuvent
être refroidis sans subir aucune desdéfor-mations
qui
accompagnent
engénéral
lechangement
dephase.
On suppose que ces whiskers formés au-dessus de latempérature
detransition,
ontcependant
,poussé
dans laphase
cubique
centrée.Dans le cas du
cobalt,
lechangement
dephase
seproduit
à 420 °C. Atempérature ambiante,
Brennera-observé la
présence
simultanée des deuxphases,
cu-bique
à faces centrées ethexagonal
compact
sur deswhiskers de .cobalt. L’existence des deux
phases
n’affecte pas la résistance
mécanique
de ceswhiskers,
qui
correspond
à une limiteélastique
de l’ordre de 1%.
Parailleurs, Bibby,
McMullen et Gordon Parr[23]
ont étudié le
changement
dephase
dans les whiskers decobalt en mesurant les variations de résistance
élec-trique
de ces cristaux en fonction de latempérature.
Ils ont ainsi pu tracer des courbescorrespondant
à deswhiskers se
comportant
de deuxfaçons
différentes.comprenant
unpalier,
la résistance ne variant pas dans unpetit
intervalle detempérature,
autour de latempé-rature de transition. Les whiskers du second
type,
qui
sont les
plus nombreux,
donnent des courbesrésistance-température
sanspalier,
maisprésentant
unbrusque
changement
depente
au passage dupoint
de transition. Deplus,
la courbe obtenue par refroidissement ne coïncide pas avec lapremière
courbe obtenue parchauffage.
Elleindique
des valeursplus
élevées de la résistance.Après
plusieurs cycles
thermiques,
les échan-tillons ont uneplus
grande
résistanceélectrique.
Cette résistance accrue
peut
être attribuée à uneaugmentation
du nombre des défauts réticulairespro-voquée
parchaque
cycle
thermique.
4. PROPRIÉTÉS
SPÉCIFIQUES. - a)
« Dekinking».
-Très
souvent,
les whiskers se coudentlorsqu’on dépasse
leur limite
élastique
au cours d’essais de flexion.Gyulai,
en1954,
a montréqu’ils
peuvent
retrouver leur formerectiligne
primitive
si on les soumet à des recuitspro-longés
à hautetempérature.
. On a ainsi observé le redressement
(ou
«dekinking » )
de trichites déformées de chlorure de
sodium,
decuivre,
silicium, fer,
etplus
récemment,
de cobalt.Brenner
[24]
a étudié la vitesse de redressement destrichites de cuivre en mesurant les variations de
l’angle
formé par les deuxportions rectilignes
du whiskercoudé en fonction du
temps,
au cours de recuits àdiverses
températures.
Cette vitesse de redressementsemble constante sauf aux tous
premiers
et derniers stades duphénomène.
Unepremière
théorie donnée par Nabarro(1956)
attribue la constance de cettevitesse de redressement à la montée des dislocations.
causée par la diffusion des lacunes.
Le redressement des trichites de silicium a été
observé par
Pearson,
Reed et Feldmann à 1 320°C[25].
Ce redressement n’est que
partiel
et s’effectue à vitessetrès
lente, approximativement proportionnelle
à Ln t.Dans le cas des
trichites
de fer étudiées parBrenner,
il n’a pas étépossible
de trouver une relationsimple
entre la vitesse de redressement et le
temps.
La théoriedonnée par Nabarro ne
s’applique
pas. Il semblequ’il
n’y
ait pas nonplus
de relationsimple
entre la varia-tiond’angle
et le coefficient d’auto-diffusion.Dragsdorf
et Johnson[26]
ont étudié des whiskersde cobalt formés par réduction de chlorure à une
tem-pérature supérieure
à celle duchangement
dephase
dans
le cobalt.Après
refroidissementlent,
l’examenaux
rayons-X
montre que tous lespoils
obtenus nesont pas des monocristaux. Sur certains
poils
mono-cristallins,
des coudes ont étéformés,
par déformationplastique.
Un traitement à 400oC,
c’est-à-direau-dessous de la
température
de transition(410°), pendant
plusieurs
heures,
n’a rien modifié. Aucontraire,
un recuit d’une heure à 825°C apermis
à ces whiskers deretrouver leur forme
rectiligne.
Dragsdorf
et Johnsonont vérifié que les trichites ainsi «
régénérées»
étaientpolycristallines
après
ce traitement. On nepossède
pasencore de théorie satisfaisante pour
expliquer
cephéno-mène.
b)
Résistance àl’oxydation.
- Contrairementaux
observations faites par
Sears,
Gatti et Fullmann[27],
nous avons vérifié que des trichites de fer obtenues parréduction
d’halogénures
à destempératures
relati-vement
basses,
pouvaient
,se conserverplusieurs
mois enatmosphère
saturéed’humidité,
tout engardant
unaspect
très brillant et despropriétés mécaniques
re-marquables
[281.
Il semble trèsimprobable
que cetterésistance soit due à un film
d’oxyde
protecteur,
forméau cours de la réduction. On pense
plutôt
que leswhiskers ne
s’oxydent
pas car ce sont des cristaux degrande perfection,
aux surfaces très lisses et sansdéfauts. Les whiskers
qui
résistent le mieux sont lesplus petits (diamètre
inférieur à 10microns),
qui
doiventstatistiquement
posséder
leplus petit
nombrede dislocations ou
autres
défauts.c) .Influence
de L’irradiation sur la croissance.-L’irradiation aux neutrons a pour
effet,
engénéral,
deproduire
une croissancebeaucoup
plus
dense etplus
rapide
de whiskers. Lesprincipales
observations ontété faites dans le cas de
proper-whiskers
d’étain(Arnold,
1956) [291.
Le bombardement de neutronsaugmente
le nombre de défauts dans lemétal,
et il estpossible
que la croissance seproduise
au cours del’élimination de ces défauts.
Toutefois,
en ne sait pas si la croissanceaccélérée
est due au bombardement de neutrons ou aux rayons-y
produits
au cours des mutations deradio-isotopes
formés. Il est
possible
que les rayons-y aient uneinfluence,
car on a observé une croissancepréférentielle
sur des échantillonsexposas
auxrayons-X.
On pensecependant
que lesrayons-X
ou les rayons-y n’influent pas sur la croissance despoils
par le même mécanisme que dans le cas des neutrons. Lesrayons-X produisent
peu dedéplacements
atomiques importants.
Il y a donc peu de défauts créés par eux à l’intérieur dumétal,
maisplutôt
ionisation de l’air entourantl’échantillon
et d’un filmd’oxyde
superficiel.
La modification de ce filmpeut
localement accroître la contrainte sur la couche. d’étain et ainsiproduire
unegermination
accélérée.Arnold
(1958)
a vérifié que l’humidité a une influencetout à fait
parallèle
à celle desrayons-X
sur la crois-sance des trichites. L’humidité accélère la formation du filmd’oxyde
et corrode localement lemétal ;
ainsi,
sur le mêmeéchantillon,
on observe simultanément la croissance de très nombreux whiskers.IV. Mécanismes de croissance
proposés
- Comme laplupart
des mécanismes de croissanceproposés
pourexpliquer
la formation de ces filaments mettent en cause lesdislocations,
il estimportant
depouvoir
mettre
expérimentalement
en évidence laprésence
oul’absence de dislocations dans les trichites.
Pour
cela,
ondispose
destechniques
de décorationet
d’attaque chimique
suivies d’observations enmicro-scopie métallographique,
ou encore d’étude auxrayons-X
en utilisant la méthode deLang.
Malheu-reusement,
cestechniques
(la
décoration mise àpart)
ne sont actuellementapplicables qu’aux
whiskers lesplus
gros. Parcontre,
laplupart
des dislocationséven-tuelles devraient être visibles en
microscopie
électro-nique,
comme pour les métaux en lamesminces,
moyennant
une orientationconvenable
du cristal.La mise en évidence
des
dislocations dans lestri-chites
d’halogénures
d’alcalins a été faite parAmelinckx
[30],
par une méthode de « décoration »(diffusion
d’or colloïdal à l’intérieur duwhisker ;
cetor a tendance à
précipiter
lelong
desdislocations),
Amelinckx trouve que ces whiskers contiennent engénéral
un assezgrand
nombre dedislocations,
et que,213 A
20
microns,
on rencontreparfois
une seule dislocationaxiale. La
technique
de « décoration » n’est pas utilisée pour les trichitesmétalliques,
mais Coleman[31]
a puemployer
un autreprocédé,
l’attaque chimique.
Lesfigures
de corrosion forméesaprès
attaque
du whiskerpar un réactif acide se
répartissent suivant,
les
lignes
de dislocations. Pai ce moyen,
Coleman a
étudié lecomportement
des dislocations dans les trichites defer,
et leurs mouvementslorsqu’on
déforme ou recuit le cristal.Cependant,
comme nous l’avonsdéjà signalé,
ce, pro-cédé nes’applique
qu’à
des trichites relativement volu-mineuses(diamètre
de l’ordre de 50microns) qui
dans le cas deschemical-whiskers,
poussent
en mêmetemps
que les whiskersplus
minces,
mais ont despropriétés
mécaniques
beaucoup
plus
médiocres. Lesrensei-gnements
qu’on
peut
tirer de cette recherche des dislo-cations sur des trichites degrandes
dimensions neper-mettent pas de s’assurer de leur
présence
dans les monocristaux filamentaires pluspetits
et de résis-tancemécanique
élevée.La méthode de
Lang,
appliquée
par W. W. Webb[32]
à l’étude des dislocations dans les whiskers de
diffé-rents métaux n’a pas
permis,
sauf dans le cas dewhiskers de
palladium
de vérifier l’existence d’une dis-location axialeunique.
A cause des difficultés
expérimentales
rencontrées,
on nepossède
pas encore de certitiide sur le rôlejoué
par les dislocations dans la croissance des
poils.
Les mécanismes de croissanceproposés
théoriquement
varient
suivantl’origine
des trichites. Nous verronssimplement
lesprincipaux
d’entre eux.a)
PROPER-WHISKERS. - Plusieurs théories ont étésuccessivement formulées par Peach
(1952),
F. C.Frank,
Eshelby
(1953),
Amelinckx(1957)
etJ. Franks
(1958).
Le inécanisme fourni par Peach a dû être écarté à la suite d’observations montrant que lesproper-whiskers
poussent
par la base et non par lesommet comme le
prévoyait
cette théorie. 1. Mécanismed’Eshelby.
-Eshelby
[33]
supposequ’une
minuscule bosse existe sur la surfacemétal-lique.
Sur cettebosse,
par suited’oxydation,
l’énergie
libre de surface
peut
êtrenégative.
Les contraintessuperficielles
tendent donc à arracher la bosse de la surface tandisqu’autour
elles sontdirigées
en sens inverse et tendent àempêcher
le diamètre de la bossed’augmenter.
Ces forces auront donc tendance à faire sortir un whisker à conditionqu’il
y aitapport
de matière. Pourcela,
Eshelby
faitl’hypothèse
qu’il
existe une source de Frank-Read dans unplan
paral-lèle à la surface avec son vecteur deBurgers
normalà ce
plan.
Sous l’influence de la contrainte
superficielle,
la source forme dans son propreplan
des nappes d’atomes interstitiels. La contrainte de cisaillement due aux forcesdirigées
en sens inverse autour de la base de la bossepermet
à ces nappes de monterjusqu’à
lasur-face. Elles
s’empilent
les
unes sur les autres pour former latrichite.
Les contraintes dont on faitl’hypo-thèse sont très
supérieures
à celles nécessaires pourrendre active une source de Frank-Read. La vitesse de croissance du whisker est fonction de la vitesse de
migration
des lacunes. La vitesse de croissance est’ proportionnelle
à :y est la valeur abaolue de
l’énergie
libre de surface sur labosse ;
D est le coefficientd’autodiffusion ; ti
est le vecteur deBurgers
de la source ; R est le rayon duwhiuker ;
kT eitl’énergie
thermique.
En
appliquant
cetteéquation
au cas de l’étain àtempérature ambiante,
Eshelby
trouve une valeurthéorique
de la vitesse de croissance en bon accord avec la valeur trouvéeexpérimentalement.
Les esti-mations de la valeur del’énergie
libre de surface sontfaites à
partir
de la chaleurd’oxydation
du métalconsidéré.
2. Mécanisme de F. C. Frank. - La théorie
pro-posée
par Frank[40J
en 1953 admet aussi quel’énergie
libre de surface ,doit être
négative
pour déterminer la croissance des whiskers. Le modèlequ’iltutilise
est un peu différent de celuid’Eshelby.
Une dislocation se terminant à la surface d’un cristal se
déplace
jusqu’à
cequ’elle
trouve uneposition
d’équi-libre. Si elle rencontre une rainure sur la
surface,
ellepoursuivra
sondéplacement
lelong
de cette rainure.Si
la rainure est en circuitfermé,
elle en fera le tourindéfiniment. Cette rainure
peut
être constituée par le bord d’unepetite
saillie sur une surfaceparfaitement
lisse. Achaque
tour de la dislocation cette saillie seradéplacée
dans la direction du vecteur deBurgers
de ladislocation. Ceci
permet
deprédire
que l’axe d’unwhisker sera
parallèle
à une directionpossible
duvecteur de
Burgers
d’une dislocation(direction
de basindice en
général).
Frank suppose que la
ligne
de dislocation est ancrée aupoint
d’intersection de l’axe ducylindre
avec leplan
de la surface ducristal.
Le brasmobile
de la dislo-cation est unecomposante purement
coin et sedéplace
dans unplan.
L’autrepartie
de la dislocation est pure-mentvis,
parallèle
à l’axe ducylindre,
mais située àl’intérieur de la masse cristalline. Le processus
d’oxy-dation de surface se
produit
rapidement
et entraînel’extrémité de la dislocation
qui
se met à tourner. La dislocationprend
alors une formespirale
mais restepratiquement
dans sonplan.
Le whisker
qui
prend
naissance àpartir
de ce méca-nisme sera doncexempt
de défauts.3. Mécanisme d’Amelinckx. - La théorie
déve-loppée
par Amelinckx en 1957[34]
est basée sur uneobservation
expérimentale
de dislocations hélicoïdalesdans un cristal de fluorine. La théorie montre
qu’une
dislocation-vis n’est pas en
équilibre
enprésence
d’un excès ou d’un manque de lacunes. Elle a tendance àprendre
une formehélicoidale
l’hélice étant inscrite sur uncylindre
ou un cône depetit angle.
Le cristal entourant
l’hélice,
c’est-à-dire la matière extérieure aucylindre,
est constitué par une seulenappe hélicoïdale d’atomes.
Le
cristal
à l’intérieur ducylindre
est sans défauts mais subit des contraintesélastiques.
La liaison entre le bon et le mauvais cristalest défectueuse presque
partout. Chaque
disque
debonne matière doit pour
s’adapter,
s’incliner d’unangle
b/27c
R(par
rapport
à l’axe ducylindre
de rayonR)
et il restetoujours
unepartie
de sacircon-férence
qui
ne rencontre pas la dislocation. Si tous lesdisques
ont mêmeinclinaison,
laligne
qui joint
lesparties
libres du bord dechaque disque
estparallèle
à b
(vecteur
deBurgers),
et est l’axe d’unedislocation-vis pure. Si la normale au
plan
dechaque
disque ,
214 A
maintenant une hélice. Le centre de
chaque disque
està la distance
b(1
-~/203C0
du centre dudisque
suivant. Si maintenant l’hélice de dislocationtourne,
le réseauextérieur du
cylindre
lui restantlié,
lesdisques
vont monter dansl’hélicoïde
aveclequel
ils sont encontact,
,et pour
chaque
tour del’hélice,
undisque
de bonne matière estéjecté
à la surface et contribue à former unpoil
«parfait
», tandisqu’une
nappe de lacunes estformée à la
base
de la dislocation.FiG. 2.
4. Mécanisme de J. Franks. - Franks
[6]
adéve-loppé
une théorie de croissance des proper et dessqueeze-whiskers qui
semble trèsproche
de celled’Amelinckx,
etqui explique
aussi la formation d’un cristal ne contenant aucune dislocation. Il supposequ’il préexiste
dans lacouche
mince une source deboucles
de dislocationsqui
ont leur vecteur deBurgers
perpendiculaire
auplan
danslequel
opère
la source.Quand
une boucle se trouve tout entière dans unplan
deglissement facile,
ellepeut
glisser jusqu’à
lasurface. Dans ce
déplacement,
ilpeut
lui arriver decouper un
segment
de dislocation du réseauayant
même vecteur de
Burgers,
et deproduire
un cran. Si lecran a une orientation
convenable,
ilpeut
favoriser la croissance du whisker.Les
boucles montant vers lasurface
peuvent
doncs’empiler jusqu’à
ce que leurchamp
de contrainte suffise à vaincre les contraintessuperficielles (période
d’induction).
Ensuite une marche ferméeapparaît
sur la surfacemétallique.
Les con-traintes étant annuléeslocalement,
la croissancepeut
sepoursuivre
plus
librement(période
où la vitesse de croissance est laplus rapide).
’
Franks suppose que la formation de fautes
d’empi-lement finit par arrêter la croissance soit en
déplaçant,
soit en immobilisant la source de boucles de dislo-cations.
Il
interprète
les diverscycles
d’activité des sources en faisantl’hypothèse
quelorsque
les whiskers ont étéotés,
les fautesd’empilement peuvent s’éloigner
ous’éliminer,
tandis que la source se remet à fonctionner.5. Discussion. - Ces
quatre
théoriespermettent
deprévoir
la formation decylindres
constitués de matière «parfaite )).
Lessystèmes
de dislocationsqui
sont suppo-sées être àl’origine
des whiskers restent ancrées dans la massemétallique
et ne se retrouvent pas dans la tri-chite.Donc,
théoriquement,
unproper-whisker
ne devrait même pas contenir de dislocation axiale. Ce n’est pas en contradiction avecl’expérience, qui
n’apas encore
permis
de s’assurer de laprésence
ou del’absence de dislocations dans les
proper-whiskers.
Considérons d’abord les
quatre
modèles aupoint
de vuegéométrique.
Ils sontéquiprobables a priori
puisqu’on
ne s’est pas assuréexpérimentalement
deleur
présence
en tant que « source » de whiskers. Enparticulier,
la dislocationspirale
de Frank et la dislo-cation en hélice d’Amelinckx sont deux notions très voisines.Chaque
tour de l’hélice ou de laspirale
libère undisque
de « bonne » matière à la surface du métal.En
outre,
le mécanisme d’Amelinckxpermet
seul deprévoir
la formation de coudes(ou
« kinks»)
dans lesproper-whiskers
ensupposant
que la dislocationgéné-ratrice n’est pas
isolée,
mais faitpartie
d’un réseau de dislocations. Si un noeud de ce réseau atteint la surfacelibre,
la croissancepeut
sepoursuivre, dirigée
par une dislocation de direction différente.Par
ailleurs,
la nécessité d’uneénergie
libre de sur-facenégative
pour former un whiskern’apparaît
pas dansl’expérience.
Aucontraire,
on a obtenu(Arnold
et
Koonce, 1956)
des trichites àpartir
de métaux tels que leplatine
etl’or,
qui
nes’oxydent
pas directement. Onpeut
penser que la formation d’une trichite relâche les contraintes du réseaucristallin,
il n’est donc pasnécessaire de faire
l’hypothèse
d’unapport
d’énergie
supplémentaire
pourexpliquer
cette croissance. Eneffet,
la croissancepréférentielle
des whiskers àpartir
d’un réseau cristallin fortement
perturbé
suggère
quel’énergie
nécessaire à amorcer lacroissance
existedéjà
dans le cristal sous formed’énergie
de défauts. Il én est de même pour les trichitespoussant
parpression :
le réseau est soumis à de fortes contraintes
élastiques
qui
travaillent lors de la pousse du whisker. Dans le casdes
proper-whiskers,
le métal laissé àlui-même,
évolue vers un étatd’équilibre
en formant des whiskers.Il est bien évident
toutefois,
quelorsqu’on produit
uneénergie
libre de surfacenégative (par
exemple
enopérant
enatmosphère
humide pour obtenir unelégère
oxydation)
on accélère la croissance des trichites.En
conclusion,
les mécanismes d’Amelinckx et deJ.
Franks,
qui
ne font pasappel
à unapport
d’énergie
extérieure, paraissent
préférables
aux deux autres.Il reste toutefois des
