Films minces de copolymères à blocs pour la réalisation de gabarits à porosité contrôlée

Block copolymer thin film for polymer templates with controlled porosity

• Auteur / Autrice : Thi Hoa Nguyen
• Direction : Marylène Vayer, Christophe Sinturel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2012
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur la matière divisée (Orléans ; 2012-2014)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Penelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Sinturel, Jacques Penelle, Fabrice Rossignol, Cédric Boissière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Rossignol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vapeurs

Solvants

Copolymères séquencés

Masques (électronique)

Nanotechnologie

Mots clés libres

Copolymères à blocs

Films minces

Auto-organisation

Exposition aux vapeurs de solvants

Nanotechnologie

Sol-gel

Mélange copolymères à blocs/homopolymères

Block copolymer

Thin film

Self-assembly

Solvent vapor annealing

Nanotechnology

Sol-gel

Blends of block copolymer/homopolymer

Résumé

Des masques polymères à porosité contrôlée sont fabriqués à partir de films minces de copolymères à blocs auto-organisés polystyène-b-polylactide (PS-PLA) et polystyrène-b-poly(méthacrylate de méthyle) (PS-PMMA). Les films doivent être réorganisés grâce à une exposition aux vapeurs de solvant (THF ou DCE) pour obtenir des cylindres perpendiculaires à la surface, dans le volume et arrangés de façon hexagonale à longue distance. L’extraction sélective des domaines minoritaires conduit alors à des films minces poreux de PS. La mise en place de nouvelles techniques de caractérisation (analyse des images AFM, analyse MEB de répliques de système poreux, ellipso-porosimétrie) a permis d’évaluer l’influence de nombreux paramètres (nature du substrat, épaisseur du film, mode de dépôt, nature du solvant, temps et mode d’exposition aux vapeurs du solvant, …) sur la morphologie des films (surface, interface substrat/film, volume) et sur la cinétique de réorganisation. Des mélanges de copolymères à blocs A-B et d’homopolymères C (PS-PMMA/PLA, PS-PLA/PMMA, PS-PLA/PEO, PS-PEO/PLA, PS-PEO/PMMA, PS-PMMA/PEO) sont également étudiés. L’ajout d’homopolymères permet dans certains cas, d’améliorer la réorganisation des films de copolymères à blocs. Il permet également une augmentation des tailles caractéristiques du système. L’homopolymère C se localise au centre des domaines du bloc minoritaire B si χA-C> χB-C et χA-C > χA-B. Par exemple, dans le cas du mélange PS-PMMA/PLA, des cylindres perpendiculaires à la surface et organisés de façon hexagonale sont observés après exposition aux vapeurs de THF avec incorporation des domaines d’homopolymères PLA au centre des domaines de PMMA.

Polymer films with controlled porosity are obtained from block copolymer thin films of polystyrene-b-polylactide (PS-PLA) and polystyrene-b-poly(methylmethacrylate) (PS-PMMA). The morphology of these films must be reorganized by solvent annealing (THF or DCE) in order to obtain the cylinders perpendicular to the surface, in the volume and arranged in a hexagonal lattice over a long distance. The selective removal of the minority domains leads to a porous thin film of PS. New characterization techniques (AFM image analysis, SEM analysis of the silica replica, ellipsoporosimetry) are developed to evaluate the influence of various parameters (substrate nature, film thickness, method of deposition, duration and method of solvent vapors annealing …) on the morphology of the film (surface, interface and volume) and on the kinetics of reorganization. Blends of copolymer/homopolymer A-B/C (PS-PMMA/PLA, PS-PLA/PMMA, PS-PLA/PEO, PS-PEO/PLA, PS-PEO/PMMA, PS-PMMA/PEO) are also studied. In some cases, the addition of homopolymers can improve the reorganization of block copolymer films. It also allows an increase of the characteristics size of the system. Homopolymers C locate at the center of the minority B domains if χA-C> χB-C and χA-C> χA-B. For example, in the case of PS-PMMA/PLA blends, cylinders perpendicular to the surface and hexagonally arranged are observed after exposure to vapor of THF with incorporation of PLA homopolymer in central PMMA domains.