Laser deposition and characterization of transparent conductive, bioactive, hydrophobic and antiseptic nanostructures

• Auteur / Autrice : Andrei Popescu
• Direction : Jörg Hermann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences
• Date : Soutenance le 11/05/2012
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Universitatea politehnica (Bucarest)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Antohe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jörg Hermann, Stéphane Antohe, Dupin Hong, Ionela Vrejoiu, Valentin Cranciun, Ion Mihailescu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt par laser pulsé

Irradiation

Ablation laser (fabrication)

Mots clés libres

Ablation laser

Dépôt laser combinatoire

Spectroscopie de cla

Couches minces

Bioverres

Surfaces textiles

Pulsed laser ablation

Combinatorial pulsed laser deposition

Laser induced breakdown spectroscopy

Thin films

Bioglass

Textile substrates

Transparent oxides

Résumé

Les applications présentées dans cette thèse valorisent de diverses manières le principe d'ablation laser, c'est à dire l'arrachement de la matière d'une surface solide suite à l'irradiation avec un faisceau laser. Le plasma généré par irradiation laser impulsionnel a été utilisé pour le dépôt de couches minces ou de nanoparticules et pour l'analyse compositionnelle des couches d'épaisseur nanométrique. Nous avons synthétisé par dépôt laser combinatoire des librairies compositionnelles d'un oxyde mixte transparent d'In et Zn. En utilisant le plasma d'ablation pour le diagnostic compositionnel, nous avons déterminé les concentrations d'indium et de zinc dans les couches minces par spectroscopie laser. Des couches minces de bioverre ont été synthétisées par dépôt laser impulsionnel sur des substrats de titane. En contact avec des cellules ostéoblastes, les bioverres ont stimulé la prolifération et ont augmenté la viabilité. La prolifération des ostéoblastes cultivés sur les couches de bioverre a été 30% supérieure a l'échantillon de contrôle. On a déposé par PLD des couches minces ou nanoparticules adhérentes de ZnO sur des substrats textiles hydrophiles dans un flux d'oxygène ou sous vide pour obtenir des structures avec différentes mouillabilités. En augmentant le nombre d'impulsions laser de 10 à 100 nous avons observé la transition du recouvrement par des nanoparticules isolées vers des couches minces. En fonction de l'atmosphère environnant lors du dépôt, les couches minces et les nanoparticules ont changé leur mouillabilité, passant d'hydrophile en flux d'oxygène à un comportement superhydrophobe (angle de contact de 157°) en cas de dépôt sous vide.

The applications presented in this thesis exploit in different modes the principle of laser ablation, i.e. the material removal from a solid surface following irradiation with a pulsed laser beam. The plasma generated by laser ablation was used for thin films or nanoparticles deposition and for the compositional analysis of nanometric thin films. We synthesized by combinatorial pulsed laser deposition, thin film libraries of a complex oxide of In and Zn. Using the ablation plasma for compositional diagnostic, we determined the In and Zn concentrations in films by Laser Induced Breakdown Spectroscopy using a procedure based on the spectral luminance calculation of a plasma in local thermodynamic equilibrium. Thin films of bioactive glass were synthesized by pulsed laser deposition, magnetron sputtering and MAPLE on Ti substrates and tested the transfer accuracy by physico-chemical tests and their functionality in vitro. In contact with human osteoblast cells, the bioactive glasses stimulated their proliferation and enhanced their viability. The proliferation of osteoblasts cultivated on bioactive films was 30% superior to the control sample. ZnO thin films or nanoparticles were deposited on hydrophilic textile substrates in oxygen flux or in vacuum in order to obtain structures with different wetting behavior. Increasing the number of laser pulses from 10 to 100, we observed a coating transition from isolated nanoparticles to thin films fully coating the textile fibers. Function of the ambient atmosphere during experiments, the structures changed their wetting behavior, passing from hydrophilic in oxygen flux to superhydrophobic (157°) in case of deposition in vacuum.