Films nanométriques de cristaux liquides étudiés par mesure de force SFA et AFM

par Bruno Zappone

Thèse de doctorat en Chimie. Physico-chimie de la matière condensée

Sous la direction de Philippe Richetti et de Roberto Bartolino.

Soutenue en 2004

à Bordeaux 1 en cotutelle avec l'Università degli studi della Calabria , en partenariat avec Università degli studi della Calabria. Facoltà di scienze matematiche, fisiche e naturali (autre partenaire) .

mots clés

• Cristaux liquides -- Couches minces
• Nanotechnologie

Résumé

A l'aide a d'un appareil pour la mesure des forces de surface (SFA) et d'un microscope à force atomique en mode "Spectroscopie de Force" (SP-AFM) on a considéré des cristaux liquides (CL) nematiques et smectiques confinés dans une épaisseur nanométrique. On a étudié la stratification induite par le confinement dans un CL lyotrope faiblement biréfringent composé de micelles biaxes, organisées en phases nématiques différentes selon la température: calamitique C, biaxe Bx et discotique D. On a caractérisé la stratification en terme d'épaisseur des couches, d'intensité et de portée de l'ordre induit. On observe des variations entre la phase C et D et des plus grandes déviations du comportement théorique dans la phase D que dans la phase C. Pour des CL fortement biréfringents, la méthode interférométrique utilisée couramment pour mesurer l'épaisseur du film (FECO) n'est plus valable. On a developé des outils numériques, permettant d'identifier la conformation du CL dans l'épaisseur à partir des données FECO. On a utilisé ces données comme point de départ pour interpréter les courbes de force obtenues pour des nématiques biphenyls, sujets à différentes conditions d'ancrage: homéotropes, planaires torsadées et hybrides planaire/homéotrope. Les profils de force sont comparés aux courbes théoriques, incluant l'élasticité du nématique et l'énergie d'ancrage aux parois. L'accord est bon dans le cas planaire, si on considère une énergie d'ancrage particulièrement forte. Pour des ancrages hybrides la force ne suit pas le même type de modèle. On n'observe pas la transition d'ancrage vers un état uniforme, prévue pour les petites épaisseurs. On mesure une forte attraction pour une épaisseur d'environ 100 angstroms, probablement liée aux gradients d'ordre dans le confinement. Avec le SP-AFM on a mesuré l'épaisseur et la compressibilité des couches dans des smectiques A et C*, avec une résolution comparable à d'autres techniques plus spécifiques, mais plus lentes et coûteuses.

Titre traduit

Forces in nanometric films of liquid crystals as probed by SFA et AFM

Résumé

Using a surface force apparatus (SFA) and an atomic force microscope in "Force Spectroscopy" mode (SP-AFM) we have studied the behaviour under nanometric confinement of nematic and smectic liquid crystals (LC). First, we have considered the confinement-induced layering in a lyotropic LC composed of biaxial micellae, organized in different nematic phases depending on the temperature: calamitic C, biaxial Bx and discotic D. We have characterized the layering in term of the layer thickness and of the strength and the range of the induced order. We observe some variation between the C and D phase. The D-phase deviates more than the C phase from the theoretical behaviour. For strongly birefringent LC, the interferometric method usually employed to measure the film thickness (FECO) is no longer valid. We have developed a numerical approach to identify the LC configuration across the confinement using the FECO data. We have used these data as a starting point to interpretate the force profiles obtained for two nematic biphenyls, subjected to different anchoring conditions: homeotropic, twisted planar and hybrid planar/homeotropic. The force profiles are compared to a model, including the nematic elasticity and the anchoring energy at the surfaces. The agreement is good for the planar samples, if we consider a very high anchoringenergy that is particularly high. For hybrid anchoring conditions, the force does not follow the same kind of model. We do not observe the anchoring transition to a uniform-director configuration, predicted for small thicknesses. We measure a strong attraction for a thickness of about 100 angstroms, probably due to tensor order gradients across the confinement. Using the SP-AFM we have measured the layer thickness and compressibility of two smectic A and C* materials, with a resolution comparable to that of other techniques, more specific but also slower and more expensive.