Assemblage or/polymère d’épaisseur nanométrique : influence de la température sur les propriétés physiques

par David Siniscalco

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Francois Bardeau et de Nicolas Delorme.

Soutenue le 23-09-2014

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans) , en partenariat avec Institut des molécules et des matériaux du Mans / IMMM (laboratoire) .

Le jury était composé de Jean-Francois Bardeau, Nicolas Delorme.


  • Résumé

    Cette thèse s’inscrit dans une volonté de décrire l’impact de la température sur des systèmes hybrides et plus particulièrement sur un système or/polymère. L’utilisation et l’étude des propriétés de l’or en couche mince est un sujet d’actualité comme le montre le nombre important de publications chaque année (>6000). Les domaines d’applications sont nombreux en particulier dans les secteurs de l’électronique, du médical ou de l’énergie… De nombreux facteurs peuvent modifier les propriétés physiques (structure, électrique, optique) des assemblages nanométriques. Dans ce travail, nous avons choisi d’étudier l’influence sur les propriétés physiques de l’assemblage de la température du substrat lors du dépôt des couches minces d’or. Dans une première partie, les effets de la température sur la morphologie des surfaces des assemblages seront mis en évidence par une étude statistique d’images AFM. Afin de réaliser cette analyse nous avons développé une nouvelle méthode d’analyse de surface granulaire nommée - l’Interfacial Differential Function. Nous démontrerons l’efficacité de cette méthode statistique vis-à-vis des méthodes existantes en analysant différentes surfaces modèles et, en extrayant les distances caractéristiques (taille de grains, distance inter-grains). La méthode a ensuite été appliquée avec succès à l’étude de l’évolution de la morphologie de films minces d’or déposés sur silicium en fonction de la température du substrat lors du dépôt. Nous avons ainsi pu montrer que, contrairement à ce qui était décrit jusqu’ici dans la littérature, l’augmentation de la rugosité observée lorsque la température de dépôt augmente n’était pas due à une augmentation de la largeur des grains.Dans une seconde partie, nous étudierons l’évolution de la structure interne des assemblages en fonction de la température de dépôt. La forte influence des propriétés thermiques du polymère sur la structure de l’assemblage nanométrique or/polymère a été mise en évidence par réflectivité de rayons X et par microscopie électronique à transmission. La combinaison de la réflectivité de rayons x associée avec la microscopie à force atomique nous a permis de révéler l’évolution avec la température de la structure qui passe d’une structure stratifiée à basse température à une structure plus complexe de type composite avec la présence de polystyrène en surface pour les hautes températures. Dans une dernière partie, l’impact de la température sur les propriétés électriques, optiques des assemblages sera présenté. Le passage d’une surface conductrice à faible température à une surface isolante à haute température sera mis en évidence via une étude originale basée sur une cartographie de résistance électrique réalisée par AFM. Les propriétés d’exaltation optique seront quant à elles présentées à travers une étude par spectroscopie Raman.En conclusion, les résultats de ce travail seront mis en perspectives par rapport à des applications potentielles telles que l’électronique flexible ou la fabrication de capteurs.

  • Titre traduit

    Gold/polymer assembly of nanometric thickness : Influence of the temperature on the physical properties


  • Résumé

    This thesis is part of an effort to describe the impact of temperature on hybrid systems and more particularly on a gold/polymer system. The use and study of properties of gold thin film is a timely topic as evidenced by the large number of publications each year (>6000). The fields of applications are numerous especially in areas of electronics, medical or energy… Many factors can modify physical properties (structural, electrical, optical) of nanoscale assemblies. In this work, we have chosen to study the influence on physical properties of the assembly of the substrate temperature during the deposition of thin layers of gold.In the first part, effects of temperature on the surface morphology of the assemblies will become apparent from a statistical study of AFM images. To perform this analysis we have developed a new granular analysis method called IDF – Interfacial Differential Function. We will demonstrate the effectiveness of this statistical approach against the existing methods by analyzing different models and surfaces, by extracting the characteristic distances (grain size, inter-grain distance). The method has been successfully applied to the study by demonstrating changes in the morphology of thin films deposited on silicon versus the temperature of the substrate during deposition. We were able to show that, contrary to what previously described in the literature, the increased roughness observed when the deposition temperature increased, is not due to an increase in the width of the grains.In a second part, we will study the evolution of the internal structure of assemblies based on the deposition temperature. The strong influence of the thermal properties of the polymer structure on the gold/polymer nano-assembly has been shown by X-ray reflectivity and transmission electron microscopy. The combination of x-ray reflectivity associated with the atomic force microscopy has allowed us to reveal the evolution with the temperature of the structure changes from a layered structure at low temperature to a more complex structure of composite type with the presence of polystyrene on the surface for high temperatures.In the last part, the impact of temperature on optical electric properties, assemblies will be presented. The transition from a conductive surface at low temperature to a high temperature insulating surface will be highlighted via an original study based on a mapping of electrical resistance produced by AFM. Optical exaltation properties will be presented through a study by Raman spectroscopy.In conclusion, results of this work will be put in perspective with respect to potential applications such as flexible electronics and fabrication of sensors.


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