Séparation de phase dans les couches minces de verre pour la nanostructuration de surface

Phase separation in glass thin films for surface nanostructuration

• Auteur / Autrice : Barbara Bouteille
• Direction : Emmanuelle Gouillart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 03/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Surface du Verre et Interfaces (Aubervilliers, Seine-Saint-Denis) - Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Geoffroy Prévot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bréchet, Patrick Guenoun, Sophie Pugnet Schuller, Damien Vandembroucq
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wilfried Blanc, Annie Pradel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Démixtion

Couches minces

Verres borosilicatés

Mots clés libres

Séparation de phase

Couches minces

Nanostructures

Diffusion

Confinement

Borosilicates de baryum

Phase separation

Thin films

Nanostructures

Diffusion

Confinement

Barium borosilicate

Résumé

L'objectif de ces travaux est d'obtenir des nanostrcutures de tailles contrôlées en partant d'une couche de verre plane d'environ 100~nm, déposée par pulvérisation cathodique magnétron, ce grâce au phénomène de séparation de phase. Le système modèle utilisé est un borosilicate de baryum dont le ternaire possède une lacune d'immiscibilité large. Après démixtion, la phase riche en baryum possède d'une part un très bon contraste électronique pour des études MEB et d'autre part elle peut être dissoute préférentiellement afin de révéler des nanostrcutures. Trois types de morphologies ont pu être obtenues en maîtrisant la composition des couches minces : des trous, des plots ou une rugosité interconnectée. Le traitement d'images MEB et AFM permet de suivre quantitativement des grandeurs caractéristiques (tailles des objets et corrélations latérales). Ainsi la cinétique de mûrissement en milieu ultra-confiné est étudiée à la fois pour la nucléation-croissance et la décomposition spinodale. En particulier pour une assemblée de gouttes uniques dans l'épaisseur, le confinement ralenti la diffusion. Une loi de puissance plus lente que les modèles classiques est observée expérimentalement et numériquement. Pour un réseau 2D de filaments interconnectés, le mûrissement hydrodynamique est rapidement interrompu par fragmentation et déstabilise la surface engendrant directement une rugosité.

This work aims at creating nanostrcutures which size can be controlled from a planar glass thin film of 100~nm deposited by reactive magnetron sputtering, thanks to phase separation phenomenon. The model ternary system used is a barium borosilicate because its immicibility domain is large. After demixing the barium rich phase has strong electronic contrast favorable for SEM imaging. Moreover this less polymerized phase can be selectively dissolved to reveal nanostructures. Three different morphologies are finally obtained varying thin films composition : holes, pillars or interconnected roughness. Image processing from SEM and AFM measurements allows quantitative measurements of characteristic lengths such as vertical and horizontal size and lateral correlations. Coarsening kinetics in ultra-confined media are studied for both mechanisms nucleation and growth and spinodal decomposition. Particularly, for droplets assembly with only one object into the thickness, confinement slows down diffusion. This impact is shown experimentally and numerically, it gives a power law slower than classical models. For 2D interconnected network, hydrodynamic growth is quickly interrupted by fragmentation and destabilises the free surface leading to rough samples.