Structuration des propriétés électriques d'une surface vitreuse appliquée au contrôle de l'orientation d'une mésophase nématique

Structuring the electrical properties of a glassy surface applied to the control of the orientation of a nematic mesophase

• Auteur / Autrice : Alexis Maillard
• Direction : Marc Dussauze, Tigran V. Galstian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université Laval (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Jean-René Duclere
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alice Berthelot, Younes Messadeq
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-René Duclere, Andrea Piarristeguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux -- Propriétés électriques

Spectroscopie

Photonique

Verre

Mots clés libres

Verre

Spectroscopie

Propriétés électrique de surface

Glass

Spectroscopy

Surface electrical properties

Résumé

Les travaux de cette thèse se sont axés sur le développement d’un système photonique hybride regroupant un nouveau matériau vitreux possédant une fonction électrique de surface et une mésophase nématique de cristaux liquides.Principal élément du système hybride, le matériau fonctionnalisé est un verre commercial sodo-calcique dont le potentiel électrique de surface est structuré via un traitement de poling thermoélectrique assisté par plasma. Dans un second temps, le substrat vitreux à la fonction électrique structurée spatialement est utilisé dans la conception d’un système photonique simple, une cellule à cristal liquide. Ces cellules sont conçues de manière à pouvoir observer l’alignement induit par le verre polé sur les molécules. À ce stade, l’objectif est de mieux comprendre l’origine de l’alignement des cristaux liquides sur les verres polés, ceci passe par une caractérisation multimodale du système hybride qui se décompose en deux axes principaux :• L’étude de la structure et des propriétés électriques de surface du verre fonctionnalisé• L’étude de l’organisation et de la dynamique des molécules au contact du substrat polariséLe premier axe est réalisé en menant une analyse spectroscopique poussée sur le substratfonctionalisé. Des techniques de microscopie en génération de second harmonique polarisée, microscopie Raman polarisée et une analyse de composition par microsonde électronique permettent d’établir un lien clair entre la fonction électrique du matériau et sa structure atomique. Le deuxième axe sur l’organisation des molécules est réalisé en utilisant des techniques de microscopie en lumière polarisée et de spectroscopie Raman polarisée permettant de mesurer l’orientation des molécules. De plus, l’application d’un modèle de distribution d’orientation permet de comparer l’alignement moléculaire entre les échantillons mais aussi avec une cellule de référence à alignement planaire.Les premiers travaux effectués dans la thèse ont visé à reproduire des résultats obtenus précédemment sur des systèmes similaires, puis à augmenter la taille des structures obtenues lors de la mise en contact des cristaux liquides avec le substrat. Dans ce cadre le verre a été traité avec une électrode sous forme de grille microstructurée. Les résultats montrent que la fonction électrique obtenue est contrôlable en position et en orientation. Les cristaux liquides s'alignent suivant la fonction électrique en formant des motifs triangulaires avec un degré d'alignement similaire pour des tailles de motifs variant d'un ordre de grandeur.Dans un deuxième temps, l’étude de la structure du verre polé montre un lien fort entre l’apparition d’une charge d’espace planaire et la production de plasma pendant le traitement. L’origine de la charge d’espace est d’ailleurs discutée sur la base des mesures Raman. Finalement, la conception de cellule dynamiques In-plane-Switching (IPS) permet de caractériser la dynamique de réalignement des cristaux liquides et par comparaison avec une cellule de référence fabriquée à partir de substrats commerciaux de quantifier l'énergie d'ancrage des cristaux liquides sur la surface de verre polarisée.

The work performed in this thesis focused on the development of a hybrid photonic system combining a novel functionalized vitreous material and a nematic mesophase of liquid crystals.The main component of the hybrid system is a commercial soda-lime glass, whose surface potential is structured via a plasma-assisted thermoelectric poling treatment. This is made possible through the use of a microstructured electrode. In a second phase, the electrically structured vitreous substrate is used to produce a simple photonic system that is a liquid crystal cell. These cells are designed to observe the alignment induced by the poled glass on the molecules. At this stage, the goal is to better understand the origin of the liquid crystal alignment on poled glass, which involves a multimodal characterization of the hybrid system, broken down into two main axis:• A structural study of the functionalized glass• A study of the molecular organization in contact with the poled substrateThe first axis is achieved through a thorough spectroscopic analysis of the poled substrate. Techniques such as polarized second harmonic generation microscopy, polarized Raman microscopy, and composition analysis by electron microprobe establish a clear link between the electrical function of the material and its atomic structure. The second axis, concerning molecular organization, is conducted using polarized light microscopy and polarized Raman spectroscopy techniques to measure molecular orientation. Furthermore, the application of an orientation distribution model allows for a comparison of molecular alignment between samples and with a reference planar alignment cell.The initial work of the thesis aimed to reproduce results previously obtained on similar systems, then to increase the size of the structures formed when liquid crystals come into contact with the substrate. In this context, the glass was poled using an electrode in the form of a microstructured grid. The results show that the obtained electrical function is highly oriented on the glass and that the liquid crystals follow this alignment by forming triangular patterns, with similar molecular flatness relative to the substrates for two poling grid sizes.These preliminary studies led to the use of a new wire-shaped electrode. The study of the poled glass structure shows a strong link between the appearance of a planar space charge and plasma production during the treatment. The origin of the space charge is further discussed based on Raman measurements. Subsequently, when poled glasses with wire anodes are brought into contact with liquid crystals, homogeneous alignment domains in the form of bands are produced. A strong correlation between domain size and poling voltage was observed, while the molecular alignment remained the same for all treatments. Finally, the design of dynamic In-plane Switching (IPS) cells with poled substrates allows for the comparison of the anchoring of molecules on the surface with a reference cell designed with commercially available substrates.