Couches d’alignement

3.2

Couches d’alignement

3.2.1

Matériaux

Les couches d’alignement réalisées dans ce projet sont faites de matériaux polymériques. Quelques matériaux différents furent utilisés en fonction de la stratégie retenue dans chaque portion du projet pour l’altération des propriétés par voie magnétique, et ceux-ci seront pré- sentés dans les chapitres correspondants.

3.2.2

Déposition

Les matériaux constituant les couches d’alignements furent tous déposés sous forme li- quide et solidifiés par la suite. Quelques méthodes permettent de produire des couches minces de cette façon. Deux furent plus particulièrement retenues en raison de leur reproductibilité et de leur simplicité de mise en œuvre.

Spin-coating La méthode privilégiée pour produire des couches minces de substances li- quides ou en solution sur un substrat est le dépôt par rotation (spin-coating). Ce dépôt est réalisé en fixant d’abord le substrat sur un support rotatif (par exemple grâce à une pression négative) et la substance à déposer est placée sur ce substrat. On fait ensuite tourner la mon- ture à très grande vitesse (quelques milliers de rotation par minute) afin d’obtenir un film très mince, la force centrifuge évacuant l’excédant de solution hors de la surface du substrat (voir figure 3.2).

L’épaisseur de ce film est donc fonction de la vitesse de rotation, de l’affinité entre la solution et le substrat et de la viscosité de la solution. Ainsi, une vitesse plus élevée produit une couche plus mince, tandis qu’une viscosité plus élevée produit une couche plus épaisse. L’épaisseur finale est atteinte lorsqu’il y a équilibre entre les différentes forces agissant sur le liquide. Notons que pour obtenir des films très minces et de bonne qualité il est préférable d’utiliser un solvant peu volatile, puisque la forte évaporation qui se produit lors d’une rota- tion très rapide peut augmenter brusquement la viscosité avant que l’épaisseur finale ne soit atteinte, ce qui risque de causer des irrégularités dans le film.

La déposition peut être effectuée en utilisant plusieurs étapes de rotation à des vitesses différentes. Par exemple une étape préliminaire à faible vitesse permet de mouiller toute la surface du substrat avant l’étape d’amincissement (à vitesse élevée), et une étape finale à une

3.2Couches d’alignement 31

Figure 3.2 –Dépôt par spin-coating

vitesse intermédiaire permet d’évaporer au maximum les substances volatiles et de solidifier le film avant de manipuler l’échantillon.

Cette méthode présente certains désavantages, comme le gaspillage d’une portion im- portante du matériel à déposer, puisqu’on en place généralement un excès sur le substrat avant d’effectuer la rotation, et l’impossibilité d’appliquer un champ dans une direction don- née au cours de la déposition. Elle est cependant très rapide, permet de réaliser des couches très minces et d’une grande qualité, et offre une bonne reproductibilité ; le spin-coating est d’ailleurs utilisé industriellement dans la production d’écrans plats.

L’appareil utilisé pour effectuer les dépôts de spin-coating au cours de ce projet est le modèle WS-400P-6NPP/LITE de la compagnie Laurell. Les lames de verre préalablement nettoyées (voir section 3.1.2) ont été fixées sur des supports amovibles de tailles appropriées fournis par la compagnie et maintenus grâce à une pression négative de 22,4 pouces de mer- cure.

Dip-coating Une autre méthode couramment utilisée pour le dépôt de couches minces à partir de matériaux sous forme liquide est le dépôt par trempage (dip-coating). Cette méthode ne permet pas d’atteindre le même niveau de minceur et d’uniformité et nécessite de disposer d’un volume important de la solution, cependant elle offre la possibilité d’appliquer une force directionnelle constante sur l’échantillon puisqu’il ne change pas d’orientation au cours du dépôt.

Ce type de dépôt est réalisé en immergeant le substrat dans la solution à déposer, compre- nant un solvant volatile, puis en le retirant très lentement (voir figure 3.3). Au cours du retrait, une couche mince de solution demeure sur le substrat, s’amincissant lorsque son retrait en-

3.2Couches d’alignement 32

traîne l’écoulement de la solution. L’évaporation du solvant volatile augmente graduellement la viscosité du film, qui atteint éventuellement son épaisseur finale. La vitesse de retrait, la viscosité de la solution et la vitesse d’évaporation du solvant influencent l’épaisseur finale de la couche, une vitesse plus grande, une viscosité plus faible et une évaporation plus lente permettant d’obtenir des films plus minces. De nombreux autres facteurs peuvent influencer le dépôt, comme la présence de vibrations ou de changements atmosphériques influençant la vitesse d’évaporation. Il est donc très important que les dépôts par dip-coating soient réali- sés dans un environnement stable afin d’assurer leur uniformité, la procédure s’effectuant sur plusieurs minutes.

Figure 3.3 –Dépôt par dip-coating

Le dépôt par dip-coating fut utilisé uniquement lors de tests préliminaires dans le cadre de ce projet. Les substrats traités ont été immergés dans la solution quelques minutes afin de permettre l’adhésion du matériau sur le substrat, puis retirés verticalement à l’aide d’un treuil motorisé de conception locale. La vitesse d’élévation est très lente et constante (1,0 cm/min). La cuve utilisée est une cellule rectangulaire pour spectrophotomètre (Mandel Scientific), dont les dimensions intérieures sont de 10× 50 mm de côtés et 43,75 mm de hauteur, avec des parois en verre optique de 1,25 mm d’épaisseur.

3.2.3

Source magnétique

Le champ magnétique nécessaire à l’alignement des couches minces a été produit grâce à des aimants en alliage de néodyme-fer-bore (NdFeB) frittés, obtenu commercialement de Magnetic Component Engineering (MC). Les pièces ont chacune des dimensions de 2 × 2

× 1 pouces, le champ étant orienté selon l’épaisseur de la pièce. Les valeurs nominales in-