Couplage de la nanoxérographie avec la microfluidique : de l'identification in situ des mécanismes d'assemblage au co-assemblage dirigé de nanoplaquettes photoluminescentes colloïdales.

Coupling nanoxerography with microfluidics : from in situ identification of assembly mechanisms to directed co-assembly of colloidal photoluminescent nanoplatelets.

• Auteur / Autrice : Gaëtan Petit
• Direction : Laurence Ressier, Etienne Palleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO-Laboratoire de physique et chimie des nano-objets - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO
• Jury : Président / Présidente : Martine Meireles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yu-Pu Lin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Peyrade, Samuel Marre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Microfluidique

Mots clés libres

Nanoplaquettes colloïdales

Nanoxérographie

Co-Assemblage dirigé

Microfluidique

Observations in situ

Photoluminescence

Colloidal nanoplatelets

Nanoxerography

Directed co-Assembly

Microfluidic

In situ observations

Photoluminescence

Résumé

La taille nanométrique des nano-objets colloïdaux leur confère des propriétés physico-chimiques uniques que l'on cherche à exploiter pour réaliser la zone active de nouvelles générations de dispositifs fonctionnels. Cela requiert de maîtriser leur assemblage dirigé sur des zones micrométriques parfaitement définies de surfaces solides. La réalisation de co-assemblages dirigés, combinant différents types de nano-objets et donc diverses propriétés enrichirait potentiellement encore les fonctionnalités de la zone active des dispositifs élaborés, en multipliant leurs capacités de détection, mesure et analyse. Ces travaux de thèse proposent d'adresser cette thématique en combinant la technique d'assemblage dirigé dite de nanoxérographie avec la microfluidique. La nanoxérographie consiste à générer des motifs de charges électrostatiques de géométrie prédéfinie à la surface d'un matériau électret, qui servent ensuite de pièges électrostatiques aux nano-objets d'intérêt lors de leur mise en contact avec la dispersion colloïdale. Dans ces travaux, cette étape de mise en contact, appelée développement et usuellement réalisée par simple immersion manuelle, a été mise en œuvre en cellule microfluidique dans le double objectif : (i) mieux comprendre les mécanismes d'assemblage dirigé des nano-objets sur les motifs chargés grâce à leur observation in situ et (ii) en tirer profit pour réaliser des co-assemblages sur une même surface. À ces fins, des nanoplaquettes luminescentes de type CdSe(S)/CdZnS, émettant respectivement dans les longueurs d'ondes du rouge et du vert ont été choisies comme système colloïdal modèle. Des puces microfluidiques en époxy au scellage réversible, transparentes dans le domaine visible et résistantes chimiquement aux solvants organiques utilisés ont été conçues. L'observation in situ de la photoluminescence des nanoplaquettes lors du développement dans ces puces, associée à des modélisations numériques, a permis de quantifier l'épaisseur en temps réel des assemblages, de mesurer l'impact des paramètres expérimentaux clés, de confirmer la compétition entre les forces de diélectrophorèse et de diffusion dans l'assemblage et de mettre en évidence le rôle majeur des forces d'advection. Sur la base de ces résultats, des co-assemblages verticaux de nanoplaquettes rouges et vertes ont été réalisés par développements séquentiels, donnant lieu à des microstructures de longueurs d'onde d'émission ajustables. La création par microfluidique de co-écoulements laminaires a finalement permis de démontrer la faisabilité de premiers co-assemblages horizontaux avec ces mêmes nano-objets de manière simultanée en une seule étape de développement.

The nanoscale size of colloidal nano-objects gives them unique chemico-physical properties one wants to benefit from in the active area of new generations of functional devices. It requires to master their precise directed assembly on well-defined micrometric areas on solid surfaces. Producing co-assemblies, through the combination of various types of nano-objects and so diverse properties would potentially broaden the functionalities of the active area of produced devices, by multiplexing their sensing, measuring and analyzing capabilities. In this work, we address this challenge by combining the so-called nanoxerography method, a directed assembly technique, with microfluidics. The nanoxerography process consists in generating charge patterns of predefined geometries on the surface of electret materials which then act as electrostatic traps for nano-objects of interest, once in contact with the colloidal dispersion. Herein, this last step known as development step and usually performed by simple manual immersion, is implemented in a microfluidic chip with a double goal: (i) a better understanding of directed assembly mechanisms owing to their in situ observation and (ii) make the most of (i) to realize co-assemblies on the same surface. For these purposes, CdSe(S)/CdZnS photoluminescent nanoplates, which respectively emit in the red and green wavelength regions were chosen as colloidal model system. Epoxy-based microfluidic chips featuring reversible sealing, transparency in the visible range, chemical resistance with used solvents, were developed. The in situ observations of the photoluminescence of nanoplates during the development step inside these chips, associated to numerical simulations, allowed to quantify the thickness of assemblies in real time, to probe the impact of key experimental parameters, to confirm the competition between dielectrophoresis and diffusion on the assembly process, and to highlight the mayor role of advection forces. Based on these results, vertical co-assemblies of red and green nanoplates were generated by sequential developments, leading to microstructures of tunable emission wavelengths. The creation by microfluidics of laminar co-flows finally enables the first proofs of concept of horizontal co-assemblies using the very same red and green nano-objects simultaneously in a single development step.