Cellules ellipsométriques utilisées

a) Cellules de mesure à température ambiante

Les mesures ellipsométriques sont effectuées dans une salle climatisée à environ 20°C. Aucun thermostat n’est donc nécessaire pour faire des mesures à température ambiante.

Lorsque l’on mesure l’épaisseur d’un film de mouillage correspondant à un état de mouillage partiel ou de mouillage complet frustré, la présence de lentilles à la surface du substrat perturbe la mesure si ces lentilles passent devant le faisceau lumineux. Lorsque le substrat est une solution aqueuse et le liquide mouillant un alcane, on peut s’affranchir de ce problème en utilisant les propriétés de surface d’un polymère fluoré industriel : le téflon, ou polytétrafluoroéthylène. En effet, l’angle de contact de l’eau sur le téflon est égal à environ 110°. Ainsi, le ménisque que l’eau forme au contact d’une paroi verticale en téflon est incurvé vers le bas, ce qui constitue un réservoir pour tout liquide organique ayant un angle de contact sur le téflon inférieur à celui de l’eau. Si l’on utilise un récipient en téflon pour nos mesures ellipsométriques, les éventuelles lentilles d’alcane seront donc drainées dans le réservoir formé par le ménisque de l’eau, et ne pourront pas perturber les mesures. Il convient néanmoins de choisir avec précaution la quantité d’alcane à déposer sur la surface de l’eau car le volume du réservoir mentionné est limité. La figure (III.8) représente une cellule ellipsométrique en téflon, munie de deux fenêtres d’observation en verre très minces.

Figure (III.7) : coupe dans le plan d’incidence de la cellule ellipsométrique en téflon pour mesures à température ambiante.

Afin d’étudier la cinétique d’adsorption de vapeur d’alcane à la surface de l’eau, on peut aussi utiliser une cellule légèrement différente, représentée sur la figure (III.8). Un réservoir d’alcane liquide est alors présent tout autour du récipient contenant la solution aqueuse.

Dans le cas des deux cellules précédemment décrites, il faut que l’inclinaison du couvercle soit telle que les fenêtres d’observation soient perpendiculaires au faisceau lumineux lorsque l’on se place à l’angle principal. Notons encore que ces deux cellules ne sont pas parfaitement étanches et qu’une quantité de l’ordre de 0,1 ml d’un liquide volatil s’échappe d’une telle cellule en un temps de l’ordre de la journée.

Figure (III.8) : coupe dans le plan d’incidence de la cellule ellipsométrique en téflon avec réservoir, pour mesures d’adsorption de vapeur.

b) Cellule thermostatée pour mesures à température variable

Pour faire des mesures ellipsométriques à température variable, il est indispensable d’immerger la cellule d’ellipsométrie dans un thermostat (en laiton) muni de fenêtres d’observation et relié à un bain d’eau, dont la température peut être maintenue constante avec une précision supérieure à 100 mK dans une gamme de température allant d’environ 5°C à 80°C.

La cellule utilisée (représentée sur la figure (III.9)) est une cellule en verre (de moins d’un millimètre d’épaisseur) cylindrique d’environ 2 cm de diamètre et 7 cm de longueur, préalablement chauffée à 550°C pendant plusieurs jours afin d’éliminer une éventuelle biréfringence due à des contraintes internes dans le verre et toute impureté d’origine organique susceptible de contaminer les fluides étudiés. La procédure de préparation d’une cellule consiste d’abord à placer au fond de la cellule un disque de téflon d’environ 1 mm d’épaisseur, pour les raisons évoquées au paragraphe précédent, puis à la remplir à moitié avec le fluide considéré comme substrat. Le volume de fluide mouillant à étudier est alors introduit (typiquement quelques dizaines de microlitres), puis la cellule est scellée à la flamme. La cellule est finalement fixée dans le thermostat, lui-même fixé à l’ellipsomètre, de telle sorte que le faisceau laser incident passe par un rayon de la cellule cylindrique et se réfléchisse sur la surface liquide à une distance de plus de 3 cm du disque en téflon.

Alcane Alcane

Figure (III.9) : coupe longitudinale d’une cellule ellipsométrique cylindrique en verre pour mesures à température variable.

c) Cellule thermostatée pour mesures sous pression variable

La cellule précédemment décrite ne permet pas de faire des mesures sous pression, pour deux raisons évidentes : il s’agit d’une cellule fermée non reliée à l’extérieur et le verre qui la constitue est d’épaisseur trop faible (environ 1 mm) pour résister à une pression de quelques bars. Une cellule différente, représentée sur la figure (III.10), est donc nécessaire pour faire des mesures ellipsométrique d’épaisseurs de films de mouillage à pression variable. Il s’agit d’une cellule similaire à celle utilisée par Schmidt et Moldover [18] pour effectuer des mesures d’ellipsométrie sur des interfaces entre un liquide et sa vapeur entre 1 et 60 bars.

Le cylindre utilisé dans notre cellule est en pyrex d’environ 4 mm d’épaisseur, beaucoup plus épais que dans le cas de la cellule précédente (Fig. (III.9)), ce qui lui permet de résister à des pressions d’au moins 15 bars. Pour des raisons de sécurité, nous n’avons pas testé la résistance du cylindre à des pressions supérieures à 15 bars. Le diamètre extérieur du cylindre est d’environ 2,5 cm et sa longueur d’environ 5 cm. Comme précédemment, le cylindre est préalablement chauffé à 550°C pendant plusieurs jours. L’intérieur du cylindre est relié à une bouteille de gaz située dans la salle climatisée à 20°C, par l’intermédiaire d’un système de tubes et de vannes en acier inoxydable. L’étanchéité de la cellule est assurée par des joints toriques en caoutchouc fluoré (viton). Afin d’éviter que des monomères non polymérisés des joints se dissolvent dans les fluides étudiés lors des mesures d’ellipsométrie, et afin de tester leur résistance aux fluides en question, les joints ont trempé plusieurs semaines dans l’eau puis dans l’hexane.

Solution aqueuse Disque en téflon Réservoir d’alcane Cellule en verre scellée Film d’alcane

B B

plan d’incidence joint torique cylindre en pyrex

Figure (III.10) : coupe longitudinale et coupe transversale de la cellule d’ellipsométrie utilisée pour les mesures à pression variable.

L’avantage de cette cellule à joints toriques est que cette configuration permet de réduire les contraintes axiales subies par le cylindre, susceptibles d’engendrer une biréfringence indésirable dans le pyrex, et surtout l’asymétrie de ces contraintes. Nous avons effectivement vérifié l’absence de biréfringence induite par la pression jusqu’à environ 10 bars. Nous avons, à cet effet, vérifié que l’ellipticité d’une surface libre d’hexane en présence d’azote était indépendante de la pression d’azote entre 1 et 10 bars. La même vérification a été effectuée avec une surface libre d’eau et une pression partielle de propane variant entre 0 et 8 bars.