Contrôle de la formation spontanée de micro et nanostructures en polymère pour applications imageurs et/ou substrats non plans

Team : Advanced lithography

Contact : Cécile Gourgon

Position : PhD

 

La micro et nanostructuration de polymères est communément obtenue par les techniques de lithographies conventionnelles telles que la lithographie optique, électronique ou la nanoimpression. Ces techniques ne sont néanmoins pas adaptées pour la formation de micro et nanostructures aux formes 3D complexes ou le patterning de polymères sur des surfaces non planes. Deux exemples typiques sont la réalisation de microlentilles pour les imageurs ou la nanostructuration de fibres. L’objectif de cette thèse est d’étudier et développer un nouveau type de procédé basé sur la déformation spontanée d’un polymère sous l’effet d’une énergie thermique ou électrique. Par ailleurs, les matériaux nanocomposites composés d’une matrice polymère et de nanoparticules peuvent être structurés par ce procédé [1] et donc être des solutions innovantes pour plusieurs applications dont les systèmes optiques des imageurs.

 

La lithographie par effet ElectroHydroDynamique (EDH) fait l’objet de recherches à l’échelle internationale, mais souffre encore du manque d’études expérimentales suffisantes. Elle est basée sur le fait que la surface d’un polymère peu visqueux soumise à un champ électrique se déforme spontanément pour créer des motifs périodiques dont la période dépend des caractéristiques du matériau polymère, de son épaisseur, de la distance entre la surface et l’électrode supérieure, et bien sûr du champ appliqué. La faible viscosité est assurée par l’utilisation de monomères ou d’un polymère thermoplastique chauffé suffisamment pour le rendre malléable. Deux cas de figure existent suivant que l’électrode supérieure est structurée ou non, comme illustré sur la figure 1. Dans le cas d’une
électrode plane (a), la périodicité des motifs ne dépend que des paramètres cités ci-dessus. Dans le cas d’une électrode structurée (b), les motifs formés viennent reproduire ceux présents sur l’électrode avec un profil contrôlable. Quelques publications des années 2000, résumées dans le papier de review [2], présentent des démonstrations des effets EHD. Plus récemment, plusieurs papiers résument des travaux de simulation qui étudient la formation des motifs et leur évolution [3-4]. Quelques auteurs montrent aussi des réalisations expérimentales [5-7], dont l’obtention de microlentilles à forme variable [8]. Cette lithographie EHD nécessite encore beaucoup d’études expérimentales pour arriver à la maturité nécessaire à son utilisation pour des applications industrielles du type des microlentilles.

 

Par ailleurs, elle est aussi tout à fait adaptée à la micro ou structuration de polymères sur des surfaces non planes et peut répondre à différents besoins en optique ou dans le domaine des biotechnologies. A l’heure actuelle, les microlentilles sont réalisées dans l’industrie de la microélectronique par la combinaison d’une lithographie par niveaux de gris et d’un fluage thermique. Ce procédé fonctionne, mais présente des limites pour l’augmentation de la densité surfacique des lentilles. Par ailleurs, il est très intéressant de pouvoir structurer des lentilles à partir de matériaux aux propriétés optiques contrôlables afin d’ajuster l’efficacité du réseau de microlentilles [9]. Ceci peut être réalisé grâce à la structuration de matériaux composites où les nanoparticules permettent de modifier les indices optiques des lentilles à la demande [10]. Nous proposons donc dans cette thèse de réaliser des polymères composites à base de nanoparticules adéquates pour les besoins optiques des imageurs et d’étudier leur structuration en microlentilles aussi bien par déformation sous reflux thermique que
lithographie EHD, afin d’optimiser le meilleur procédé.

 

L’équipe lithographies avancées du LTM possède déjà une certaine compétence dans ces domaines. L’étude des procédés de nanoimpression a déjà donné lieu à des travaux parallèles sur les effets EHD et leurs conséquences sur les procédés d’impression (thèse de C. Masclaux soutenue en 2012). Par ailleurs, la formulation et la structuration de divers types de nanocomposites ont été étudiés, en particulier dans le cadre de la thèse de H. Takacs pour des applications magnétiques de type antenne RF. La combinaison de ces expertises permettra de développer de nouveaux procédés de micro et nanostructuration de polymères spécifiques et de répondre à des besoins en microélectronique mais aussi d’offrir de nouvelles possibilités dans des secteurs plus diversifiés tels que les biotechnologies où les dispositifs et matériaux à structurer sont rarement plans.

 

Références

[1] V. Geiser, Y-H. Jin, Y. Leterrier, J-A. E. Manson, Macromol. Symp. 2010, 296, 144–153

[2] N. Wu and W. Russel NanoToday 4 (2009) 180-192

[3] H. Tian et al. J. Micromech. Microeng. 27 (2017) 025008

[4] M. Liu et al. RCS Advances 6 (2016) 112300-111306

[5] P. Pattader et al. Adv. Func. Mat. 21 (2011) 324-335

[6] H. Tian et al. Langmuir 30 (2014) 12654-12663

[7] J.J.S. Rickard et al. ACS Nano 10 (2016) 3865-3870

[8] H. Hu et al. J. Micromech. Microeng. 24 (2014) 095027

[9] J. Aizenberga, G. Hendlerb, J. Mater. Chem. , 2004, 1 4 , 2066–2072

[10] J-G. Liu, M. Ueda, J. Mater. Chem., 2009, 19, 8907–8919

 

Profil recherché
Le candidat devra intégrer l’équipe « lithographies avancées » et avoir des compétences dans le domaine des matériaux polymères et des procédés de micro-nanofabrication. Il devra être titulaire d’un grade de Master en Sciences des matériaux, Physique Appliquée ou en micro-nanotechnologie. Il sera amené à travailler dans un contexte pluridisciplinaire à l’intersection des matériaux polymères, procédés de fabrication, phénomènes aux interfaces, électromagnétisme, etc.

 

Direction de thèse

Cécile Gourgon (directrice) et Jean Hervé Tortai (co-encadrement)

 

Lieu

Laboratoire des Technologies de la Microélectronique – Grenoble – sur le site du CEA-LETI

 

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