Lithographie de surfaces isolantes par microscopie électrochimique pour l'immobilisation d'objets micro et nanométriques

par Nadia Ktari

Thèse de doctorat en Électrochimie

Sous la direction de Catherine Combellas et de Frédéric Kanoufi.

Soutenue en 2011

à Paris 7 .

mots clés

• Électrochimie
• Photolithographie
• Microscopie électrochimique à balayage
• Polystyrène

Résumé

L'électrochimie peut être utilisée pour, de façon élégante, modifier les propriétés chimiques et physiques de différentes surfaces. La modification de surfaces de polymères hydrogénés (en particulier le polystyrène) et de monocouches fluorées auto-assemblées est présentée dans ce contexte. La sonde d'un microscope électrochimique (SECM) permet d'électrogénérer différentes espèces réactives à la surface du substrat. Sur les supports fluorés, la réduction locale de la surface est effectuée par des électrons solvatés puis la zone réduite est post-fonctionnalisée par des réactions chimiques. Sur le polystyrène, la modification localisée de surface est réalisée essentiellement par Ag2+. L'ensemble de ces traitements permet sur les deux substrats i) d'augmenter le contraste d'hydrophobie entre le support et les motifs modifiés et ii) d'y immobiliser différentes entités essentiellement biologiques (cellules vivantes). Le mécanisme d'oxydation du polystyrène par Ag2+ a été étudié par électrochimie. Les courbes d'approche SECM s'interprètent par l'instabilité chimique de Ag2+ en solution et la réaction hétérogène d'attaque de la surface par ce réactif. La cinétique est régie par la perméation de l'espèce rédox dans le film de polymère oxydé. Ensuite, et après avoir exploré les possibilités d'assemblage de nanoparticules d'oxyde de fer fonctionnalisées sur une surface oxygénée modèle (surface conductrice électrogreffée par des groupements carboxyliques), des nanoparticules amino fonctionnalisées ont été immobilisées spécifiquement sur des motifs de polystyrène oxydé.

Titre traduit

Lithography of insulating surfaces by Scanning Electrochemical Microscopy to immobilize micrometer and nanometer objects

Résumé

Electrochemistry may be nicely used to modify thee chemical and physical properties of different surfaces. In this context, the surface modification of hydrogenated polymers (particularly polystyrene) and of fluorinated self-assembled monolayers is presented. For that, the probe of a scanning electrochemical microscope (SECM) is used to generate various reactants on the surface of the substrate. With fluorinated substrates, the surface is reduced locally by micrometric sources of solvated electrons and the patterned surface is post-functionalized by chemical reactions. With polystyrene, the etching of the surface is essentially performed by Ag2+. With both substrates, these treatments allow i) to increase the contrast of wettability between the pristine substrate and the patterns, and ii) to selectively immobilize various entities such as biological ones (living cells). Moreover, the mechanism for the oxidation of polystyrene by Ag2+ is studied by electrochemical means. The SECM approach curves are interpreted by the homogeneous chemical instability of Ag2+ and the heterogeneous reaction of this reagent with the surface. The kinetics is governed by the permeation of the redox species into the oxidized polymer layer. The ability of functionalized iron oxide nanoparticles to be assembled onto a model oxygenated surface (conductive surface electrografted by carboxylic moieties) is evaluated. Finally, amino functionalized nanoparticles are immobilized specifically onto the oxidized patterns of a polystyrene surface.