Conditionnement et fonctionnalisation de la surface du nitrure de silicium

par Marine Brunet

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de François Ozanam et de Anne Chantal Gouget-Laemmel.

Soutenue le 06-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Approches interdisciplinaires : fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de physique de la matière condensée (laboratoire) .

Le président du jury était Claire-Marie Pradier.

Le jury était composé de François Ozanam, Anne Chantal Gouget-Laemmel, Philippe Barboux, Damien Aureau, François Guillemot.

Les rapporteurs étaient Jean Jacques Pireaux, Jean-Paul Chapel.


  • Résumé

    La fonctionnalisation de la surface du verre par des molécules organiques permet de modifier son énergie de surface ou d’améliorer l’adhésion d’un revêtement. La méthode classique de fonctionnalisation directe du verre repose sur une réaction de silanisation, via la formation de ponts siloxanes Si O Si. Ces ponts ont tendance à s’hydrolyser en milieu salin ou alcalin, entrainant la perte de la fonctionnalité du verre. Une solution envisagée consiste à déposer une couche de nitrure de silicium (SixN4) sur le verre, permettant de greffer des molécules organiques via des liaisons covalentes robustes : Si C ou N C. Le nitrure de silicium présente l’avantage d’être un matériau très souvent utilisé dans l’industrie verrière en raison de sa capacité à bloquer la diffusion des ions sodium et de protéger ainsi le verre de la corrosion.L’objectif de ce travail de thèse est de caractériser et contrôler la surface du nitrure de silicium, puis d’optimiser et de comprendre la modification de sa surface par le greffage covalent de molécules organiques.Lorsque le nitrure de silicium est exposé à l’air, une couche d’oxynitrure est formée en surface. L’optimisation et la compréhension du décapage de cette couche d’oxynitrure natif en milieu liquide est l’objet de la première phase de ce travail. La composition chimique de la surface est finement caractérisée et quantifiée en combinant des mesures de spectroscopie infrarouge en mode de réflexion totale atténuée (IR-ATR), de spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et des dosages chimiques de surface. Le décapage dans des solutions fluorées (HF et NH4F) permet de retirer efficacement la couche d’oxynitrure et laisse majoritairement en surface des liaisons Si-F et dans une moindre mesure des liaisons N H et Si OH. La composition chimique de la surface peut toutefois être modifiée pour former des groupements Si H, soit en enrichissant la couche du SixN4 en silicium, soit en soumettant la surface à un traitement par plasma d’hydrogène à l’issue du décapage. A partir des observations expérimentales, une proposition décrivant les mécanismes mis en jeu lors du décapage est présentée.Dans la seconde partie de la thèse, la surface du nitrure de silicium est modifiée par l’immobilisation de molécules organiques, plus spécifiquement par la réaction d’un 1 alcène sous activation thermique ou photochimique. La composition chimique de la surface et les conditions d’activation de la réaction modifient la réaction de greffage et la densité des couches organiques. En particulier, la présence de liaisons Si-H et l’enrichissement de la couche en silicium sont étudiés en détail. Dans une dernière partie, dans une visée plus applicative, des couches denses fluorées présentant un caractère hydrophobe naturel sont greffées sur la surface du nitrure de silicium.

  • Titre traduit

    Control and functionalization of silicon nitride surface


  • Résumé

    Covalent grafting of organic molecules on glass can modify its surface physico-chemical properties or improve the adhesion of a coating. Such a functionalization usually relies on a silanisation reaction, bonding molecules to the surface through Si-O-Si bonds. Unfortunately, the resulting molecular layers do not exhibit long-term stability due to the hydrolysis of siloxane groups. One solution would consist in depositing a silicon nitride layer on glass, allowing the glass surface to be functionalized through more stable bonds N-C or Si-C. Silicon nitride layers are frequently used in glass industry. They are well-known for their durability properties and are often used as a protective layer against glass corrosion.The aim of this project is to characterize and control the non-oxidized silicon nitride surface, then to optimize and understand the surface modification by covalent grafting of organic molecules.When silicon nitride is exposed to atmosphere, an oxynitride layer is formed on its surface. Several efficient ways to remove this native oxynitride are first studied and optimized. The quantitative characterization and control of the surface chemical composition provide a reliable starting point for the functionalization step. The surface chemical composition is quantitatively investigated by combining Attenuated Total Reflection InfraRed spectroscopy (ATR-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and chemical dosing. The etching in HF-based solutions efficiently removes the oxynitride layer and leads to a surface mainly covered with Si-F bonds and smaller amounts of Si-OH and N-H bonds. The surface composition can be modified by a H2 plasma treatment performed after the wet etching or by changing the silicon nitride layer composition (silicon enrichment), leading in either case to the formation of Si-H bonds on surface. An etching mechanism is suggested from these experimental observations.The second part of this work is focused on the grafting of the alkyl chains on the silicon nitride surface. The surface is reacted with a 1-alkene, using photochemical or thermal activation. The grafting efficiency depends on the surface composition and the activation conditions. The presence of surface Si-H bonds and the effect of Si enrichment are considered in details. In a final part, in an applicative view, functional hydrophobic molecules are grafted on the silicon nitride surface.


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