Fonctionnalisation de la surface de couches minces de carbone amorphe

Surface functionalization of amorphous carbon thin films

• Auteur / Autrice : Hussein Sabbah
• Direction : Christian Godet, Francine Solal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Rennes 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbone amorphe hydrogéné

Chimie des surfaces

Spectroscopie de photoélectrons

Couches monomoléculaires

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Résumé

Ce travail porte sur la fonctionnalisation de la surface de couches minces de carbone amorphe à l’aide de molécules d’alcènes linéaires. Ce type d’interfaces trouve son domaine d’application dans les capteurs chimiques ou biologiques, et les mémoires moléculaires. Le choix de substrats carbonés repose sur les propriétés de bio-compatibilité des couches minces de carbone et sur la robustesse attendue des liaisons carbone-carbone (covalentes et non polaires) formées à l’interface molécule / substrat. Différentes couches de carbone, obtenues par pulvérisation ou par ablation laser, sont étudiées présentant des densités volumiques et des hybridations sp2 / sp3 variables. Les surfaces, toutes de faible rugosité, permettent une étude quantitative du taux de couverture moléculaire par photoémission XPS. Le principal apport expérimental de cette thèse est la réalisation d’un système d’évaporation de molécules dans un bâti ultravide permettant le greffage thermique dans des conditions de propreté optimales. Des caractérisations UPS et des mesures de transport électrique (dispositif à goutte de mercure) sur des interfaces modèles Si(111) – alcane ont permis de qualifier la qualité du greffage obtenu en phase vapeur sous ultravide. Le greffage en phase vapeur sur ces surfaces de carbone peut être réalisé à 230°C sans hydrogénation préalable de la surface. Au-dessus d’une température de seuil, la cinétique de greffage est plus rapide sur les surfaces riches en carbone hybridé sp2. Le taux de couverture à saturation est comparable à celui obtenu sur la surface du Si(111):H. La robustesse de la monocouche obtenue a été établie par des recuits thermiques sous ultravide.

The functionalization of amorphous carbon thin film surfaces has been performed using linear alkene molecules. This kind of interface is useful for chemical or biological sensors, and molecular memories. Carbon-based substrates have been selected for the reported biocompatibility of amorphous carbon thin films and the expected robustness of the covalent and non-polar C-C bonds formed at the molecule / substrate interface. Besides this original material, complementary thermally-assisted processes have been chosen: liquid phase grafting (ester, pyridine or ferrocene functionalities) and gas phase grafting (perfluorodecene). Different amorphous carbon films have been compared: sputtered a-C and pulsed-laser deposited a-C, with variable atom density and sp2 / sp3 hybridizations. We have developed an evaporation chamber for the gas phase grafting in a UHV system, which allows thermal grafting in a clean environment. The quality of the monolayer interface obtained in this thermal process has been assessed using UPS characterizations and electrical transport (with a mercury drop electrode) on model interfaces Si(111) – alkane. We have shown that gas phase grafting of alkene molecules can be performed at 230°C without hydrogenation and without any preparation of the amorphous carbon surfaces. Above a threshold grafting temperature the grafting kinetics is faster for sp2–rich surfaces. The saturated molecular coverage is comparable to that obtained on Si(111):H surfaces. X-ray reflectivity and XPS data show that a monolayer is assembled to the a-C surface; thermal annealing in UHV confirms the robustness of a perfluorodecene monolayer grafted on amorphous carbon.