Étude théorique du mouillage de nano-cristaux solides sur des substrats nano-patternés

Theoritical study of solids nano-cristals wetting on nano-patterned substrates

• Auteur / Autrice : Maxime Ignacio
• Direction : Olivier Pierre-Louis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/11/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Pierre Müller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Barentin, Yukio Saito
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Noël Aqua, Nicolas Combe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodiffusion

Élasticité

Cristaux

Mouillage (chimie des surfaces)

Mots clés libres

Mouillage solide

Cristaux

Substrats patternés

Monte Carlo cinétique

Élasticité

Électro migration

Solid wetting

Crystals

Patterned substrates

Kinetic Monte carlo

Elasticity

Electromigration

Résumé

A l'échelle nanométrique, les solides peuvent changer de forme par diffusion de surface, et présentent alors des propriétés de mouillage qui s'apparentent à celles des liquides. Dans cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement intéressés au comportement de mouillage des nano-solides sur des substrats nanopatternés, comportant par exemple des piliers ou des tranchées. Sur ces substrats, les nanoparticules (ou ilots) solides peuvent être multi-stables : c'est-à-dire qu'ils peuvent présenter plus d'un état localement stable. Comme les liquides, les solides ont été observés par exemple dans des états dits de Wenzel (pénétrant dans la structure du substrat) ou de Cassie-Baxter (ne pénétrant pas). Grâce à une combinaison de simulations Monte Carlo Cinétiques et de modèles analytiques, nous avons étudié la stabilité de ces états et leur dynamique de transition. Plus particulièrement, avons mis en évidence le rôle de la diffusion de surface et de la nucléation bidimensionnelle sur la dynamique de transition. Nous avons aussi montré que les contraintes élastiques augmentent la stabilité des états de Cassie-Baxter, et mènent à de nouveaux états, avec des morphologies asymétriques ou partiellement empalées dans les nanostructures. Finalement, nous avons proposé de contrôler les transitions de mouillage à l'aide de l'électromigration induite par un faisceau d'électrons. Nos résultats ouvrent la voie vers une nouvelle direction pour les investigations expérimentales

At the nanometer scale, solids can change shape thanks to surface diffusion and therefore display wetting properties that can be likened to those of liquids. This doctoral thesis intends to study particularly the wetting behaviour of nano-solids located on nanopatterned substrates, containing for instance pillars or trenches. Upon these substrates, solid nanoparticles (or islands) can be multi-stable – that is to say they can display more than one locally-stable state. Just like liquids, solids have been observed for example in the context of the so-called Wenzel state (penetrating the very structure of the substrate) and Cassie-Baster state (no penetration). By combining Kinetic Monte Carlo simulations with analytical models, we conducted a study on the stability of these states along with their dynamics of transition. In particular, we highlighted the specific roles that surface diffusion and bidimensional nucleation play in regards to the dynamics of transition. We also demonstrated that elastic constraints increase the stability of Cassie-Baxter states and lead to new states, with either asymmetric morphologies or morphologies that are partially impaled into the nanostructures. Last but not least, we proposed to control wetting transitions using the electromigration brought on by an electron beam. Our results pave the way for a new direction in the field of experimental investigations