MINATEC

L’organisation contrôlée de nanoparticules métalliques ( de 10 à 100 nm) présente de nombreuses applications potentielles dans le domaine de l’optique.

L’organisation contrôlée de nanoparticules métalliques ( de 10 à 100 nm) présente de nombreuses applications potentielles dans le domaine de l’optique. Les méthodes rapportées dans la littérature (démouillage de films minces ; dispense de solutions colloïdales) permettent d’accéder à une distribution de nanoparticules sur des petites surfaces sans pour autant en maîtriser la reproductibilité ni l’ordre à grande échelle. L’objectif de cette thèse est d’exploiter le potentiel des procédés de nanoimpression pour le contrôle de l’organisation, sur grande surface, de nanoparticules métalliques.

Les techniques de Lithographie de la Nano-Impression (NIL) se présentent comme une solution alternative à la lithographie électronique connue pour son faible rendement. En effet, la nanoimpression permet de répliquer « collectivement » des motifs miniatures (de quelques dizaines de nanomètres), par pressage d’un moule élaboré à l’échelle X1, dans un polymère. Les deux principales versions de cette technique de lithographie sont la nanoimpression thermique et la nanoimpression assistée par UV. Le LTM étudie ces deux techniques depuis plusieurs années. Ces études fondamentales ont conduit récemment à l’utilisation de ces techniques dans des applications potentiellement industrialisables.

Une des limitations majeures de la nanoimpression est liée au contact direct de la résine avec le moule. Il s’ensuit des problèmes d’adhésion, et donc de destruction des motifs, et une durée de vie du moule limitée. L’objectif de ce sujet de thèse est d’étudier une variante de ces techniques d’impression : la nanostructuration par déstabilisation locale d’un film de polymère, et de l’appliquer à l’autoorganisation de nanoparticules métalliques pour des applications plasmoniques. En effet, plusieurs techniques sont actuellement utilisées pour organiser les nanoparticules, mais elles font généralement appel à une succession de plusieurs étapes technologiques, incluant dans certains cas la nanoimpression. Nous proposons d’organiser les nanoparticules en une seule étape, en les introduisant dans un film polymère qui est ensuite structuré par capillarité. Dans ce cas, les motifs sont formés par croissance spontanée. Le polymère se déforme localement au niveau des structures présentes sur le moule et vient par capillarité en contact avec les motifs présents sur le moule, conduisant à un réseau de structures similaires. Cette croissance capillaire des motifs est influencée en particulier par les gradients de température ou de champ électrique présents au niveau des interfaces moule/air/polymère. Nous proposons d’étudier les mécanismes de ce type de croissance de motifs, et de les utiliser pour auto-organiser des nanoparticules mélangées au polymère.

Le développement d’une telle technologie laisse entrevoir un champ d’applications considérable pour la réalisation de filtres colorés, d’antennes optiques, de concentrateurs de champ électromagnétique ou d’objets présentant des propriétés plasmoniques. L’intégration d’un tel procédé sur de grandes surfaces pourrait également présenter un atout substantiel pour des applications telles que les composants photovoltaïques ou d’éclairage en augmentant le gain lors de la conversion photon/électron ou électron/photon.

Les principales étapes de cette thèse seront les suivantes : le doctorant devra tout d’abord étudier, d’un point de vue théorique et expérimental, la croissance spontanée de polymères. Il faudra en particulier identifier les forces motrices de cette croissance, étudier l’influence respective d’un gradient de température et d’un gradient de charges électriques, et corréler les résultats en fonction du design du moule et des propriétés physico-chimiques du polymère. Ensuite, le doctorant devra introduire les nanoparticules dans les matériaux imprintables et analyser leur influence sur la croissance. Il devra déterminer d’éventuels changements dans le comportement du polymère et développer des procédés qui permettent l’organisation des nanoparticules par cette technique. Il sera important d’étudier en particulier l’influence de la charge métallique des particules dans le phénomène de croissance du polymère. Après structuration il faudra déterminer comment le polymère peut être retiré pour répondre aux besoins de certaines applications. En collaboration avec le Département d’Optronique du Leti, nous choisirons alors deux ou trois types de particules et un dispositif optique particulier que nous réaliserons par cette méthode.

Ce sujet de thèse se situe donc aux frontières entre l’étude des matériaux polymères et de leur structuration d’une part, et l’utilisation de nanoparticules pour des dispositifs optiques innovants d’autre part. Il s’inscrit donc plus généralement dans un contexte de développement de nanotechnologies pour l’optique.