Micro and nanoactuators based on bistable molecular materials

par Maria Dolores Manrique Juarez

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Gábor Molnár et de Azzedine Bousseksou.

Soutenue le 28-11-2017

à Toulouse 3 , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....) (laboratoire) .

mots clés

• MEMS
• Actionneurs
• Changement de volume
• SCO
• Systèmes microélectromécaniques
• Solides moléculaires

Titre traduit

Micro et nano-actionneurs à base de matériaux moléculaires bistables

Résumé

Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont des dispositifs de taille micrométrique capables de transformer un signal mécanique en un signal électrique et vice-versa. Ils sont aujourd'hui largement répandus dans notre vie quotidienne pour la détection, la transformation de l'énergie et l'actionnement de dispositifs grâce à leur faible dissipation énergétique, leur réponse ultra-rapide et leur grande sensibilité. Même si depuis plusieurs décennies, les progrès technologiques ont entraîné la miniaturisation des ces dispositifs, il reste nombreux challenges à surmonter dont l'un des plus importantes est l'intégration à l'échelle nanométrique d'actionneurs à base des matériaux dit " intelligents " (à ces dimensions, les matériaux habituellement utilisés perdent leurs propriétés d'actionnement). Dans ce contexte, ce travail de thèse avait pour objectif d'explorer l'utilisation des matériaux moléculaires à transition de spin pour le développement d'actionneurs électromécaniques. Dans ce but, nous avons conçu des microleviers en silicium que nous avons recouvert par différentes molécules à transition de spin soit par sublimation, soit par " spray-coating ". Les MEMS ont été caractérisés à température et pression variables en modes dynamique et statique à l'aide d'un unique dispositif expérimental. Les résultats obtenus démontrent que les molécules à transition de spin peuvent être intégrées, à l'aide de différents procédés de fabrication, dans des dispositifs MEMS et qu'il est possible de réaliser l'actionnement à l'aide d'une source d'énergie thermique (chauffage et refroidissement) et/ou lumineuse. Simultanément, cette étude a également permis d'évaluer les propriétés mécaniques des matériaux à transition de spin (module de Young, coefficient de Poisson) qui restent mal connues.

mots clés

• MEMS
• Actuators
• Volume change
• SCO

Résumé

Microelectromechanical systems (MEMS) are micrometric devices able to transform a mechanical signal into an electrical one and vice-versa. In the past years they have been successfully employed in different fields of our everyday life for sensing, transducing different forms of energy and for actuating purposes thanks to their low energy dissipation, fast response and high sensibility. Even if recent technological progress has allowed a considerable miniaturization of these devices, several challenges remain. In particular the integration of smart actuating materials at the nanometric scale remains arduous because in most cases they lose their actuating properties at reduced sizes. In this context, this thesis work aimed for exploring the possibility of using molecular spin crossover materials for the development of electromechanical actuators. To this aim we have conceived silicon microcantilevers, which have been coated by various spin crossover molecules using either thermal evaporation or spray-coating methods. The MEMS have been characterized at variable temperature and pressure both in dynamical and static modes using a single experimental setup. The results prove that spin crossover molecules can be successfully integrated into silicon MEMS devices using different fabrication processes and their actuation can be achieved using either a thermal energy source or light irradiation. In parallel, this work has allowed us to extract relevant mechanical properties of spin crossover materials (Young's modulus, Poisson's ratio), which have been largely unknown previously.