Orthogonal chemical functionalization of titanium tungsten (TiW) based surfaces

par Jian Zhang

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Jean-Pierre Cloarec et de Yann Chevolot.

Soutenue le 08-11-2018

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Claude Jolivalt.

Le jury était composé de Jean-Pierre Cloarec, Yann Chevolot.

Les rapporteurs étaient Claude Jolivalt, Luc Vellutini.

  • Titre traduit

    Fonctionnalisation chimique de surface de substrats de TiW : Application au dévelopement de la fonctionnalisation chimique orthogonale de substrats composés de TiW/Au/SiO2


  • Résumé

    Avec le développement de nouveaux dispositifs apparait le besoin d’être capable de contrôler la chimique de surfaces de substrats multi-échelle et multi-matériaux. Plusieurs techniques font appel à de la chimie localisée via différentes technologies. Une approche consiste à exploiter les différences de réactivités chimiques entre les différents matériaux du substrat et différents groupements chimiques de manière à fonctionnaliser sélectivement chaque matériaux pour former des couches minces organiques de type « Self Assembled Monolayer »: Ce principe proposée par Pr. G. M. Whitesides est appelé chimie orthogonale. Dans le cadre de cette thèse, le but ultime était de réaliser la fonctionnalisation chimique orthogonale de substrats dont la surface était composée de SiO2/Au/TiW La première étape de ce travail a été de déterminer pour la première fois la fonction chimique la plus adaptée pour la fonctionnalisation de TiW. Pour se faire nous avons comparé la chimie des silanes, des acides phosphoniques et des catéchols. Après caractérisations (XPS, ToF-SIMS, IR) des différentes couches, la voie des acides phosphoniques semblait être celle donnant lieu à la couche la plus stable. Ensuite nous avons étudié l’orthogonalité sur de substrats bi-matériaux (SiO2/TiW ou Au/TiW), et enfin sur substrat dont la surface était constituée de Au/SiO2/TiW.


  • Résumé

    The development of nanotechnologies makes it possible to manufacture the micro or nanometric-sized patterns with various materials (dielectrics, metals, semiconductors). These heterogeneous surfaces are commonly used in the electronics industry for the production of nanoelectronic structures and components: transistors, memories or sensors. The concept of orthogonal chemical functionalization was first proposed by George M. Whitesides to modify the surfaces composed of different materials at the macroscopic scale. In this context, this PhD work aimed at exploring the orthogonal chemical functionalization approach on a predefined patterned titanium tungsten (TiW) surface by lithography producing. Pattern materials (Au, SiO2) are chosen to have different chemical properties, which can be functionalized with completely independent reactions. To achieve this aim, we have studied three different chemical groups for the formation of organolayers (silane, catechol, phosphonic acid) on TiW for the first time. The three layers were characterized (XPS, IR, ToF-SIMS) and the stability of the formed organolayers was also addressed. Then we developed and ascertained the orthogonal chemical functionalization of patterned Au/TiW and Au/SiO2/TiW surfaces. It proposes a novel strategy for the orthogonal functionalization on a triple-material patterned surface. In addition, the capture of nanoparticles by electrostatic interaction at specific location on Au/TiW patterned substrate was successfully implemented to prove the interest of such method for colloids trapping.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 08-11-2020


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