Assemblage itératif de films nanostructurés de copolymères à blocs, vers le développement de structures tridimensionnelles fonctionnelles à périodicité nanométrique

Abstract

Les copolymère à blocs ont la capacité de s’auto-assembler en une panoplie de structures périodiques à l’échelle nanométrique. L’objectif de ce travail a été de mettre en place un procédé itératif permettant l’empilement de films nanostructurés de copolymères à blocs, et de comprendre et contrôler les mécanismes d’orientation relatifs entre les couches. Pour cela, le système PS-b-PMMA a été choisi puisqu’il permet, après hybridation sélective des domaines de PMMA en alumine, de générer des nanostructures inorganiques permettant le couchage ultérieur d’une nouvelle couche de copolymères à blocs. Trois types de nanostructures bidimensionnelles ont plus particulièrement été étudiées : des lignes obtenues à partir d’une structure lamellaire des domaines de PMMA et PS, un réseau hexagonal de plots obtenu à partir de cylindres de PMMA dans une matrice de PS, et un réseau hexagonal de trous obtenu à partir de cylindres de PS dans une matrice de PMMA. En contrôlant la géométrie de chaque couche et sa périodicité par la modification des caractéristiques macromoléculaires des PS-b-PMMA, nous avons mis en évidence la possibilité de contrôler l’orientation relative de l’empilement de deux couches en faisant varier l’énergie interfaciale entre celles-ci. Ainsi, un grand nombre de nouvelles structures complexes de type bicouches formées à partir d’auto-assemblage de copolymères à blocs ont pu être observées pour la première fois. De plus, les observations expérimentales ont été rationalisées par la mise en place d’un modèle énergétique corroboré par des simulations avancées utilisant la dynamique des particules dissipatives. Finalement, il a été démontré que ce procédé d’empilement peut être extrapoler de deux couches à n couches de copolymères à blocs, ce qui permet d’imaginer la formation de nanostructures 3D fonctionnelles par ingénierie additive.