Élaboration de films nanocomposites hybrides P(VDF-TrFE)/nanocristaux, et intégration dans des dispositifs microstructurés

Preparation of polymeric hybrid nanocomposite films based on P(VDF-TrFE)/nanocrystals, and integration in microstructured devices

• Auteur / Autrice : Van Son Nguyen
• Direction : Didier Rouxel, Brice Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/09/2012
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Yves Fort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Pruvost, Sabu Thomas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Ameduri, Christine Galez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces ferroélectriques

Matériaux piézoélectriques

Matériaux nanostructurés

Nanoparticules

Mots clés libres

P(VDF-TrFE)

Nanoparticules

Nanocomposite

Propriétés piézoélectriques

Dispositifs microstructurés

P(VDF-TrFE)

Nanoparticles

Nanocomposite

Piezoelectric properties

Microstructured devices

Résumé

Les objectifs de ce travail consistent à développer de nouveaux matériaux souples hybrides organiques/inorganiques en vue d'application pour des microsystèmes. Cette étude comprend l'élaboration et la caractérisation de nanocomposites à matrices polymères ferroélectriques P(VDF-TrFE), matériaux potentiels pour les applications à base de films minces, et de différents types de nanoparticules: ZnO, LiNbO3 (piézoélectriques) et Al2O3 (non-piézoélectriques). Les protocoles de dispersion ultrasoniques des nanoparticules dans des solvants et des solutions polymères ont été optimisés, afin de disperser de façon homogène des clusters de nanocristaux dans la matrice copolymère. Les films d'épaisseurs contrôlées de 0.1 µm à 100 µm ont été fabriqués par spin-coating et enduction, avec une qualité de surface adaptée aux micro-technologies. L'étude de la morphologie et de la cristallinité de P(VDF-trFE) a montré leur préservation en présence de nanoparticules jusqu'à 10 wt.%. Les nanocomposites gardent ainsi des propriétés piézoélectriques élevées tout en montrant un renforcement allant jusqu'à 30 % des propriétés mécaniques avec 10 wt.% de ZnO ou Al2O3. De plus, une augmentation des constantes élastiques avec la diminution de la taille des clusters de nanoparticules a été observée. Les films nanocomposites sur substrats ou autosupportés chargés jusqu'à 10 wt.% ont été polarisés avec succès par Corona sans contact. Des protocoles spécifiques pour réaliser des microdispositifs par photolithographie sur films nanocomposites tout en conservant les activités piézoélectriques des matériaux ont été développés. La caractérisation des dispositifs à ondes acoustiques réalisés est aussi présentée

The objective of this work is to develop flexible organic/inorganic hybrid materials for application in microsystems. This study included the preparation and characterization of nanocomposites based on ferroelectric polymer matrix P(VDF-TrFE), potential materials for applications based on thin films on substrates, and different types of nanoparticles: ZnO, LiNbO3 (piezoelectric) and Al2O3 (non-piezoelectric). The protocols of the ultrasonic dispersion of nanoparticles in solvents and polymeric solutions are optimized, allowing dispersing quite homogeneously clusters of nanocrystals in the matrix copolymer. Films of controlled thickness between 0.1 µm and 100 µm were fabricated by spin-coating and doctor blade coating with surface quality suitable for micro-technologies. Morphology and crystallinity of P(VDF-TrFE) are preserved in the presence of up to 10 wt.% of nanoparticles. Thus nanocomposites keep high piezoelectric properties and show an increased up to 30% of the mechanical properties for 10 wt.% ZnO or Al2O3. In addition, the increase in elastic constant with decreasing cluster size of nanoparticles was observed. Nanocomposite films on substrates or free-standing filled up to 10 wt.% were successfully polarized by corona without contact. Specific procedures for preparing microdevices by photolithography on nanocomposite polymer films, while keeping piezoelectric activities of materials, have been developed. The characterization of realized acoustic wave devices is also presented