2D & 3D structuration of solution-based metal oxide precursor via photolithography and its optical/electrical application

par Shang-Yu Yu

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Olivier Soppera, Arnaud Spangenberg et de Hsiao-Wen Zan.

Soutenue le 02-05-2019

à Mulhouse en cotutelle avec National Chiao Tung University (Taiwan) , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....) , en partenariat avec Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (laboratoire) .

mots clés

• Mise en forme par DUV
• Écriture directe par laser femtoseconde
• Oxyde métallique fonctionnel
• Micromotif conducteur
• Nanocomposite TiO2/carbone
• ZnO
• Fabrication 3D
• Transistor à couche mince
• Couleur structurelle
• Capteur de pression miniaturisé
• Photodétecteur
• Photolithographie
• Oxydes métalliques
• Optoélectronique
• Rayonnement ultraviolet
• Transistors en couches minces

Titre traduit

Structuration 2D et 3D de précurseurs d'oxyde métallique par photolithographie et applications en opto-électronique

Résumé

Dans cette thèse, une étude de la structuration 2D et 3D de précurseurs d’oxydes métalliques par photolithographie est décrite. Les applications en opto-électronique illustrent l'intérêt des différentes approches de photolithographie développées.Dans une première partie, la lithographie à un photon est utilisée pour la structuration 2D d’oxydes métalliques, par des méthodes indirecte et directe. En utilisant des monocouches auto-assemblées structurées par irradiation UV profond (DUV), la technique de démouillage de surface montre son potentiel pour obtenir des motifs d’oxydes métalliques. Une irradiation directe par DUV a aussi été utilisée pour structurer directement l'oxyde métallique à partir de précurseurs. Le film d'oxyde métallique photostructuré a été utilisé comme couche active pour l’élaboration d'un transistor afin d'étudier l'influence de l’irradiation DUV sur les performances du dispositif.Des photorésists précurseurs d'oxydes de Ti et Zn compatibles avec la structuration à deux photons ont ensuite été développés. La photoréaction a d'abord été étudiée en configuration 2D. En ajustant différents paramètres, il a été démontré que des structures à conductivité modulable peuvent être obtenues par écriture laser. Des applications comme capteur de pression et en photonique sont démontrées. Enfin, la structuration 3D de précurseurs d’oxyde métallique a été réalisée. Après recuit thermique, des structures 3D en ZnO ont été obtenues avec des applications en micro-optique et photodétecteurs UV.

mots clés

• DUV patterning
• Femtosecond direct laser writing
• Functional metal oxide
• Conductive micropattern
• TiO2/carbon nanocomposite
• ZnO
• 3D fabrication
• Thin film transistor
• Structural color
• Miniaturized pressure sensor
• Photo-Detector

Résumé

In this thesis, a study of the 2D and 3D structuration of metal oxide via photolithography was made. The interests of different photolithography processes were shown by its corresponding applications.Starting from one-photon lithography for 2D patterning of metal oxide, the patterning technique was divided by indirect and direct method. By using self-assembled monolayers with DUV patterning, the proposed surface dewetting technique shows the potential for patterning of different metal oxide precursor. In the other hand, DUV light was used to directly pattern metal oxide. The effect of DUV patterning on metal oxide film was investigated in macroscale. The photo-patterned metal oxide film was used as active layer for transistor application to investigate the influence of DUV on the performance of transistor.To further structure the metal oxide material in 3D configuration, Ti and Zn oxide precursor photoresists compatible for two photon structuration were developed. The photo reaction was firstly investigated in 2D configuration. By adjusting with different conditions, the structures with controllable conductivity and those with nanoscale periodic fringes were shown to be able to apply in pressure sensor application and photonic application, respectively. Finally, with the preparation of droplet shape photoresist, the 3D structuration of metal oxide precursor was realized. With a thermal annealing process, the ZnO based 3D structures were used for micro-optics and UV photodetector application.The research work not only open a new concept in the chemistry of the photo-induced thermal reaction, but also a new possibility for 3D structuration of semiconducting material.