Assemblage dirigé de particules micrométriques par nanoxérographie

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

Conclusions

Les outils et méthodes, servant de briques élémentaires pour l’assemblage dirigé de nanoparticules par nanoxérographie, ont été présentés et analysés dans ce chapitre. Ce travail a permis d’identifier les paramètres clés existants pour l’assemblage de nanoparticules et d’aller plus loin dans leur compréhension afin de les exploiter dans la suite de ces travaux de recherche.
La première étape d’un protocole d’assemblage par nanoxérographie, analysée dans ce chapitre, est l’injection de charges dans un film de PMMA, choisi comme électret. Elle peut être réalisée par deux méthodes complémentaires, via l’utilisation d’un AFM ou par e-µCP.
Lorsque l’AFM est utilisé, la polarisation d’une pointe AFM de 10nm de rayon de courbure permet de faire des injections de charges de manière séquentielle sous application d’impulsions de tension d’amplitudes contrôlées, avec une résolution sub-micrométrique. La densité de charges injectées par motif peut être modulée en faisant varier l’amplitude des impulsions de tension de ± 30 à ± 80V, l’épaisseur du film de PMMA de 25nm à plusieurs centaines de nanomètres ou la forme des motifs de charges. Les potentiels de surface des motifs de charges peuvent ainsi varier de 50mV à plus de 8V en fonction des conditions choisies, ce qui permet de contrôler l’assemblage d’une large gamme de nanoparticules. Il est cependant nécessaire de réaliser la seconde étape du procédé de nanoxérographie, le développement du substrat chargé dans la dispersion colloïdale, dans les quelques minutes qui suivent l’injection de charges en raison des pertes assez rapides à l’air. En effet, environ 40% des charges initialement injectées sont perdues après 15min d’exposition à l’air. Par ailleurs, les programmes développés dans l’équipe pour contrôler le déplacement de la pointe au cours de l’injection permettent de transformer toutes images vectorisées en motifs de charges. Un large choix de géométries de motifs est ainsi disponible avec des dimensions variables de moins d’un micromètre à plusieurs dizaines de micromètres. Il est également possible de faire des injections binaires, positives et négatives, en une seule séquence sur un même substrat. Les injections ne peuvent cependant être faites que sur des dimensions de 80*80µm², il est nécessaire de réaliser plusieurs séquences d’injection de quelques minutes à plusieurs dizaines de minutes à chaque fois pour travailler sur des surfaces plus grandes. Une pointe AFM peut générer une centaine de motifs de charges sans présenter de signe d’endommagement.
Lorsque les injections de charges sont faites par e-µCP, une tension de consigne continue est appliquée entre un timbre en PDMS, rendu conducteur par dépôt d’une fine couche d’or à sa surface, et le substrat. Le contact homogène entre ces deux éléments est assuré par interactions magnétiques entre la semelle, spécifiquement conçue, du timbre et des aimants positionnés sous le substrat. Les injections sont faites en parallèle sur des surfaces aussi grandes que celles d’un wafer 4’’. Le contrôle des densités de charges injectées est fait par modulation de la tension de consigne continue, de 20 à 50V et du temps de polarisation entre le timbre et le substrat, variable de 10s à plusieurs minutes. Il est possible d’injecter des milliers de motifs micrométriques sur une même surface en une seule séquence d’injection d’une durée de quelques dizaines de secondes. Les limitations de géométrie dues au PDMS constituant le timbre ont en partie été éliminées par la mise en place de motifs anti-écrasement et de remplissage. Dans les conditions de travail choisies, les motifs de charges peuvent avoir des dimensions variables de 6µm à plusieurs centaines de micromètres de large. D’autres dispositifs de photolithographie UV
pourront être mis en œuvre pour de futures expérimentations dans l’équipe pour abaisser les dimensions minimales des motifs créés par e-µCP. Cependant la conception de motifs avec de nouvelles géométries demande de fabriquer de nouveaux timbres à partir de nouveaux moules, ce qui exige du temps. Les motifs de charges générés par e-µCP présentent toujours la même polarité, et possèdent des potentiels de surface d’amplitude maximale de 4V dans ces travaux. Leur rétention par exposition à l’air est cependant meilleure que dans le cas de l’AFM, puisque seulement 12% de charges initialement injectées sont perdues après 15min d’exposition à l’air. De même leur rétention après immersion de 30s dans différents solvants est meilleure que celle des motifs de charges obtenus par AFM. Par ailleurs, le temps de vie du timbre est un élément à prendre en compte, puisque des détériorations sont observées après une cinquantaine d’utilisations.
Finalement, nous exploiterons la complémentarité des deux techniques d’injection de charges dans la suite de ces travaux en sélectionnant celle qui sera la plus adaptée aux problématiques abordées. L’AFM sera par exemple utilisé pour créer des motifs de charges présentant de forts potentiels de surface et des géométries complexes. L’e-µCP sera privilégié pour réaliser des réseaux d’assemblages sur de grandes surfaces.
Le développement qui est la seconde étape du procédé d’assemblage de NPs par nanoxérographie nécessite d’être adapté à chaque type de NPs en fonction de leur composition, de la polarité de leur solvant de dispersion, de leur taille… Jusqu’au début de ces travaux, cette étape était réalisée de manière manuelle sur des durées relativement courtes, de la dizaine de secondes, par immersions successives dans différents bains de dispersions.
La première sous-étape du développement est essentielle puisqu’elle consiste à mettre en contact le substrat chargé avec la dispersion colloïdale d’intérêt. La concentration de la dispersion ainsi que le temps d’immersion sont des paramètres clés dans l’obtention d’assemblages denses, homogènes et sélectifs. Les autres sous-étapes du développement, que sont les immersions dans d’autres solvants de dispersion ou les lavages, peuvent être essentielles, optionnelles ou rédhibitoires en fonction des NPs étudiées, elles devront être adaptées à chaque situation. La réalisation d’assemblages binaires par immersions successives dans différentes dispersions colloïdales est possible. Enfin la dernière étape du développement qui est le séchage, réalisée par évaporation naturelle du solvant ou flux d’air comprimé permet d’obtenir des assemblages de NPs stables pour plusieurs mois.
Pour conclure, les potentialités des deux techniques d’injection de charges utilisées dans notre protocole de nanoxérographie ont été analysées et seront mises à profit de manière complémentaire pour aborder les diverses problématiques des prochains chapitres. Les paramètres clés de l’étape de développement réalisée manuellement jusqu’à présent, par simple immersion dans la dispersion colloïdale d’intérêt, ont été identifiés et laissent envisager plusieurs optimisations. Ces optimisations seront réalisées dans les prochains chapitres en adéquation avec les problématiques adressées qui sont celles préalablement identifiées dans le Chapitre I soit : élargir la gamme de tailles de nanoparticules que l’on peut assembler par nanoxérographie, appliquer le protocole d’assemblage 3D à de nouveaux types de colloïdes et assembler des colloïdes originaux.

Table des matières

Introduction.
Chapitre I : Etat de l’art de l’assemblage dirigé de nanoparticules colloïdales par utilisation de la force électrique
I.1. Les dispersions colloïdales
I.2. Assemblage dirigé de dispersions colloïdales via l’application d’un champ
électrique externe
I.3. Assemblage dirigé de dispersions colloïdales via la présence de films ou
de motifs chargés
I.4. Conclusions
I.5. Références
Chapitre II : Assemblage dirigé de nanoparticules colloïdales par nanoxérographie : Mise en place d’un protocole
II.1. Le procédé de nanoxérographie
II.2. Injection de charges par AFM
II.3. Injection de charges par e-μCP
II.4. L’étape de développement
II.5. Conclusions
II.6. Références
Chapitre III : Assemblage dirigé 3D par nanoxérographie
III.1. Assemblage dirigé 3D de nanoparticules modèles : les Quantum Dots de
CdSe@CdS
III.2. Une meilleure compréhension de l’assemblage 3D
III.3. Conclusions
III.4. Références
Chapitre IV : Assemblage dirigé de particules micrométriques par
nanoxérographie
IV.1. Choix des particules modèles et du procédé de nanoxérographie
IV.2. Assemblage de particules micrométriques par nanoxérographie par flux
convectifs
IV.3. Effet de la taille des particules
IV.4. Conclusions
IV.5. Références
Chapitre V : Assemblage dirigé de colloïdes mous par
nanoxérographie
V.1. Assemblages de colloïdes mous
V.2. Assemblages interactifs de nanogels
V.3. Assemblages binaires de nanogels
V.4. Conclusions
V.5. Références
Conclusions
Annexe