Films smectiques minces déposés sur un substrat monocristallin

par Jean-Philippe Michel

Thèse de doctorat en Physique statistique

Sous la direction de Michel Goldmann et de Emmanuelle Lacaze.

Soutenue en 2002

à Cergy-Pontoise .


  • Résumé

    Ce travail présente une étude expérimentale de la structure de films smectiques minces frustrés sur un substrat monocristallin. Les épaisseurs étudiées vont de plusieurs centaines à plusieurs dizaines de couches smectiques. L'étude est menée sur le système modèle 8CB/MoS2 en combinant quatre techniques expérimentales différentes permettant d'explorer la structure des couches à tous les niveaux du film. Nous serons alors capables d'étudier les défauts habituels de la phase smectique dans une géométrie simplifiée par l'ordre imposé via la surface du substrat. La combinaison de la microscopie à effet tunnel (STM) et de la diffraction x sous incidence rasante (GIXD) a permis de s'intéresser au phénomène de physisorption de molécules organiques sur une surface cristalline et plus précisément de déterminer la structure des premières molécules adsorbées sur la surface de MoS2. Nous interprétons nos résultats à l'aide d'un modèle de champ moyen unidimensionnel mettant en évidence la complexité du potentiel molécule-substrat. Dans un deuxième temps, en combinant la microscopie optique et la GIXD, nous avons étudié comment un substrat plat comme le MoS2 impose un ancrage planaire unidirectionnel des phases smectique A et nématique d'un film de 8CB déposé dessus. Nous avons déterminé les six directions d'ancrage des couches smectiques par rapport aux directions cristallographiques de la surface du MoS2. A l'aide de modèles déjà existants, nous avons alors interprété nos résultats et mis en évidence l'influence de la structure adsorbée sur les caractéristiques d'ancrage. La structure du film frustré par deux ancrages antagonistes a été étudiée par diffraction x, microscopie optique et microscopie à force atomique en mode Tapping. Pour les films d'épaisseur supérieure à 0,1 mm, les couches smectiques s'empilent de façon concentrique à l'intérieur de réseaux périodiques formés d'hémicylindres aplatis. L'étude en fonction de l'épaisseur a révélé l'existence d'un seuil élastique situé entre 700 et 900 Å, en dessous duquel une structure discontinue en parois de dislocations s'installe pour éviter toute courbure prohibitive des couches. Nous avcons démontré la nature asymétrique de ces parois associées à une très grande densité de dislocations. Cette étude a également révélé la présence d'une telle structure discontinue sous les hémicylindres aplatis et a permis de comprendre l'évolution de ces parois de joint de grain lorsque l'épaisseur totale du film évolue. Il s'agit dans ce cas d'étudier directement la structure interne des défauts du type coniques focales, ici dégénérées à une dimension. Nous avons donc pu donner une description détaillée des différentes structures que forment des films smectiques minces frustrés quand leur épaisseur diminue de 0,4 mm à 0,07 mm.


  • Résumé

    This work presents an experimental study of the structure of thin smectic films frustrated on a single crystal. Film thicknesses are investigated from several hundreds to several tens of smectic layers. We worked on the model system 8CB/MoS2 by combining four different experimental techniques, llowing an exploration of the layers structure everywhere in the film. We demonstrate we are able to study sual defects of the smectic phase in a simplified geometry because of the order imposed via the substrate's surface. Combination of Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Grazing Incidence X-ray effraction (GIXD) permit to take interest to the physisorption of organic molecules on a crystalline surface and more precisely to determine the fine structure of the first 8CB adsorbed molecules on MoS2 surface. We interpret our results through a1D mean field model leading to a complex molecule-substrate. In a second time, by combining Optical Microscopy (MO) and GIXD we studied the unidirectionnal planar anchoring of the smectic A and nematic phases imposed by the flat surface of MoS2. We have determined six different anchoring directions for the perpendicularly anchored smectic layers with respect to the main crystallographic directions of MoS2. With models existing in the litterature, we have then interpreted our results and evidenced the strong link between the adsorbed structure and the anchoring characteristics. Film's structure frustrated by antagonistic anchorings was investigated by combination of MO, GIXD and Atomic Force Microscopy (AFM) in the Tapping mode. For thickness higher than 0,1 mm, smectic layers are stacked concentrically into periodic networks formed by flattened hemicylindrical structures. We have evidenced the existence of an elastic threshold located between 700 and 900 Å, below which a discontinous structure with dislocation walls exists in order to avoid any prohibitive curvature of smectic layers. We have demonstrated the asymmetric nature of the walls associated to a high dislocation density. Thickness evolution has revealed also the presence of such a discontinous structure under the flattened Hemicylindrical structures and permit to understand the defect evolution when film's thickness varies. We have then studied straightforward the internal structure of focal conics, which here are 1D degenerated.

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Informations

  • Détails : 165 f.
  • Notes : Publication autorisée par le jury .
  • Annexes : Bibliogr. p.161-165. Index

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  • Bibliothèque : Université de Cergy-Pontoise. Bibliothèque universitaire. Site de Neuville.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS CERG 2002 MIC
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