Cage de résonance à base de films minces transparents et conducteurs de nanotubes de carbone

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.

Films minces de copolymères à blocs supramoléculaires et photosensibles

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique.

Optical and Carrier Transport Properties of Cosputtered Zn–In–Sn–O Films and Their Applications to TFTs

The optical and carrier transport properties of amorphous transparent zinc indium tin oxide (ZITO)(a-ZITO) thin films and the characteristics of the thin-film transistors TFTs were examined as a function of chemical composition. The as-deposited films were very conductive and showed clear free carrier absorption FCA . The analysis of the FCA gave the effective mass value of 0.53 me and a momentum relaxation time of 3.9 fs for an a-ZITO film with Zn:In:Sn = 0.35:0.35:0.3. TFTs with the as-deposited channels did not show current modulation due to the high carrier density in the channels. Thermal annealing at 300°C decreased the carrier density and TFTs fabricated with the annealed channels operated with positive threshold voltages VT when Zn contents were 25 atom % or larger. VT shifted to larger negative values, and subthreshold voltage swing increased with decreasing the Zn content, while large on–off current ratios 107–108 were kept for all the Zn contents. The field effect mobilities ranged from 12.4 to 3.4 cm2 V−1 s−1 for the TFTs with Zn contents varying from 5 to 48 atom %. The role of Zn content is also discussed in relation to the carrier transport properties and amorphous structures.

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing x-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices

Light amplification in dye doped polymer films

We report unusual spectral narrowing and laser emission from polymer thin films doped with Coumarin 540 dye. The laser emission from the polymer films is found to be highly dependent upon the excitation length of the medium. Even a short length of 1.75 mm of the dye doped film gave rise to laser emission with FWHM of 0.3 nm for a pump intensity of 825 kW cm−2. The partial reflections from the broad lateral surfaces of the free standing films provided the optical feedback for the laser emission. Occurrence of well-resolved equally spaced resonant modes confirmed the effect of a Fabry–Perot-like optical cavity between the film surfaces

Engineering the Properties of Indium Sulfide for Thin Film Solar Cells by Doping

In the present work, structural, optical and electrical properties of indium sulfide are tuned by specific and controlled doping. Silver, tin, copper and chlorine were used as the doping elements. In2S3 thin films for the present study were prepared using a simple and low cost “Chemical Spray Pyrolysis (CSP)” technique. This technique is adaptable for large-area deposition of thin films in any required shape and facilitates easiness of doping and/or variation of atomic ratio. It involves spraying a solution, usually aqueous, containing soluble salts of the constituents of the desired compound onto a heated substrate. Doping process was optimized for different doping concentrations. On optimizing doping conditions, we tuned the structural, optical and electrical properties of indium sulfide thin films making them perform as an ideal buffer layer.

Characterization of Hydrothermally Annealed Low Temperature Bioactive Thin Film Coatings of Hydroxyapatite on TiAl6V4 Implant material

This thesis summarizes the results on the growth and characterisation of thin films of HA grown on TiAl6V4 (Ti) implant material at a lower substrate temperature by a combination of Pulsed laser deposition and a hydrothermal treatment to get sufficiently strong crystalline films suitable for orthopaedic applications. The comparison of the properties of the coated substrate has been made with other surface modification techniques like anodization and chemical etching. The in-vitro study has been conducted on the surface modified implants to assess its cell viability. A molecular level study has been conducted to analyze the adhesion mechanism of protein adhesion molecules on to HA coated implants.

Light amplification in dye doped polymer films

We report unusual spectral narrowing and laser emission from polymer thin films doped with Coumarin 540 dye. The laser emission from the polymer films is found to be highly dependent upon the excitation length of the medium. Even a short length of 1.75 mm of the dye doped film gave rise to laser emission with FWHM of 0.3 nm for a pump intensity of 825 kW cm−2. The partial reflections from the broad lateral surfaces of the free standing films provided the optical feedback for the laser emission. Occurrence of well-resolved equally spaced resonant modes confirmed the effect of a Fabry–Perot-like optical cavity between the film surfaces.

Preparation of sub-micrometre thick CulnSe2 films using sequential evaporation technique for device fabrication

In this work. Sub-micrometre thick CulnSe2 films were prepared using different techniques viz, selenization through chemically deposited Selenium and Sequential Elemental Evaporation. These methods are simpler than co-evaporation technique, which is known to be the most suitable one for CulnSe2 preparation. The films were optimized by varying the composition over a wide range to find optimum properties for device fabrication. Typical absorber layer thickness of today's solar cell ranges from 2-3m. Thinning of the absorber layer is one of the challenges to reduce the processing time and material usage, particularly of Indium. Here we made an attempt to fabricate solar cell with absorber layer of thickness

Optimization of Two Stage Process for the Growth of In2S3 , CuInSe2 and CuIn (Sel-xSx)2Thin Films for Solar Cell Application

Two stage processes consisting of precursor preparation by thermal evaporation followed by chalcogenisation in the required atmosphere is found to be a feasible technique for the PV materials such as n-Beta In2S3, p-CulnSe2, p-CulnS2 and p-CuIn(Sel_xSx)2. The growth parameters such as chalcogenisation temperature and duration of chalcogenisation etc have been optimised in the present study.Single phase Beta-In2S3 thin films can be obtained by sulfurising the indium films above 300°C for 45 minutes. Low sulfurisation temperatures required prolonged annealing after the sulfurisation to obtain single phase Beta-1n2S3, which resulted in high material loss. The maximum band gap of 2.58 eV was obtained for the nearly stoichiometric Beta-In2S3 film which was sulfurised at 350°C. This wider band gap, n type Beta-In2S3 can be used as an alternative to toxic CdS as window layer in photovoltaics .The systematic study on the structural optical and electrical properties of CuInSe2 films by varying the process parameters such as the duration of selenization and the selenization temperature led to the conclusion that for the growth of single-phase CuInSe2, the optimum selenization temperature is 350°C and duration is 3 hours. The presence of some binary phases in films for shorter selenization period and lower selenization temperature may be due to the incomplete reaction and indium loss. Optical band gap energy of 1.05 eV obtained for the films under the optimum condition.In order to obtain a closer match to the solar spectrum it is desirable to increase the band gap of the CulnSe2 by a few meV . Further research works were carried out to produce graded band gap CuIn(Se,S)2 absorber films by incorporation of sulfur into CuInSe2. It was observed that when the CulnSe2 prepared by two stage process were post annealed in sulfur atmosphere, the sulfur may be occupying the interstitial positions or forming a CuInS2 phase along with CuInSe2 phase. The sulfur treatment during the selenization process OfCu11 ln9 precursors resulted in Culn (Se,S)2 thin films. A band gap of 1.38 eV was obtained for the CuIn(Se,S)2.The optimised thin films n-beta 1n2S3, p-CulnSe2 and p-Culn(Sel-xSx)2 can be used for fabrication of polycrystalline solar cells.

Metglas thin film based magnetostrictive transducers for use in long period fibre grating sensors

Metallic glass alloy Metglas 2826 MB based amorphous magnetic thin films were fabricated by the thermal evaporation technique. Transmission electron micrographs and electron diffraction pattern showed the amorphous nature of the films. Composition of the films was analyzed employing X-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy techniques. The film was integrated to a long period fibre grating. It was observed that the resonance wavelength of the fibre grating decreased with an increase in the magnetic field. Change in the resonance wavelength was minimal at higher magnetic fields. Field dependent magnetostriction values revealed the potential application of these films in magnetostrictive sensor devices.

Synthesis, Growth and Characterization of Oxide Phosphors for Thin Film Electroluminescent Devices

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology