D´ eveloppement et int´ egration de la technologie PNIPAM
2.4. FONCTIONNALISATION DE SURFACE ET GREFFAGE DU PNIPAM 61
source IR détecteur
échantillon Si pointe SiO2
prisme Si mécanisme de blocage
Fig. 2.26 – Sch´ema du montage de spectroscopie infrarouge MIR `a deux prismes d´evelopp´e au cea-L´eti (d’apr`es [243]).
(´etirement) de –C=CH2`a 1639 cm−1. Les contributions des groupes aliphatiques sont visibles autour de 1900 cm−1. La contribution au-del`a de 3100 cm−1 est attribu´ee `a l’eau r´esiduelle.
R´esultats et discussion – PNIPAM. Le spectre obtenu sur l’´echantillon de pnipam (greff´e via une couche de silane) est donn´e `a la Fig. 2.28. Le pic acrylate provenant du silane est toujours visible `a 1722 cm−1. Le pic `a 1646 cm−1 correspond au mode stretching de C=O (amide I) ; le pic `a 1531 cm−1 est affect´e au mode bending (pliage) de NH (amide II), avec les modes stretching correspondants autour de 3300 cm−1. La succession de pics autour de 2900 cm−1 correspond au mode stretching de C–H aliphatique.
1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 3300 3500 -0,01
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Nombre d'onde (cm-1)
Absorbance (u.a.)
1722Acrylate
1702
1639CH2=C
2894 2954
Fig.2.27 – Spectreir-atrd’un ´echantillon de silicium doublement poli fonctionnalis´e avec le silane tmspm.
62 CHAPITRE 2. TECHNOLOGIE PNIPAM
1400 1900 2400 2900 3400 3900
-0,05
Fig. 2.28 – Spectre ir-atr d’un ´echantillon de silicium doublement poli fonctionnalis´e avec le pnipamvia une couche d’accroche de silane.
Conclusion. Les bandes d’absorption caract´eristiques acrylate, amide I et amide II confirment la pr´esence de ces groupements, pr´esents dans le tmspm et le pnipam. Les spectres obtenus sont donc coh´erents avec la pr´esence de silane et de pnipamsur les ´echantillons analys´es. Ces r´esultats sont encourageants, mais incomplets : d’une part, la pr´esence d’eau r´esiduelle gˆene une partie des mesures autour de 3300 cm−1. Par ailleurs, la limite inf´erieure de la gamme de mesure (1400 cm−1) ne donne pas acc`es `a une partie du proche infrarouge. Nous avons eu l’opportunit´e de collaborer avec une autre ´equipe sp´ecialis´ee en spectroscopie infrarouge afin de consolider ces r´esultats ; ces travaux font l’objet de la section suivante.
2.4.2.3 Spectroscopie infrarouge `a transform´ee de Fourier en transmission
Principe. Le principe g´en´eral est le mˆeme que dans la section pr´ec´edente : l’´echantillon `a analyser est soumis `a un rayonnement infrarouge dont l’absorption est caract´eristique des liaisons chimiques pr´esentes dans l’´echantillon. En spectroscopie infrarouge classique (dispersive), on utilise un mo-nochromateur pour faire varier la fr´equence du faisceau infrarouge ; on mesure alors pour chaque fr´equence l’´energie absorb´ee par les liaisons chimiques. En spectroscopie infrarouge `a transform´ee de Fourier (Fourier transform infrared, ftir), on remplace le monochromateur par un interf´erom`etre, afin de mesurer une gamme compl`ete de fr´equences simultan´ement ; la transform´ee de Fourier du signal mesur´e donne acc`es `a un spectre caract´eristique du compos´e analys´e. Pour plus de d´etails sur cette technique, le lecteur peut consulter l’ouvrage complet de Brian C. Smith [245].
Protocole exp´erimental. Les travaux pr´esent´es dans cette section ont ´et´e r´ealis´es en collabora-tion avec MengLiet Yves J.Chabal, duLaboratory for Surface Modification, Rutgers University,
2.4. FONCTIONNALISATION DE SURFACE ET GREFFAGE DU PNIPAM 63 Piscataway, NJ, USA. Les ´echantillons sont identiques `a ceux d´ecrits dans la section pr´ec´edente.
Les mesures sont effectu´ees en transmission, selon deux angles. La mesure selon l’angle d’incidence de Brewster est sensible `a la fois aux composantes normales et tangentielles des modes de vibration des liaisons chimiques. La mesure selon l’incidence quasi-normale, en revanche, n’est sensible qu’`a la composante tangentielle (parall`ele `a la surface). La combinaison des deux mesures permet, une fois l’affectation des pics effectu´ee, de d´eterminer l’orientation des mol´ecules sur la surface.
R´esultats et discussion – Silane. Le spectre obtenu sur l’´echantillon de silane est donn´e `a la Fig. 2.29. L’assignation des pics aux liaisons chimiques est effectu´ee par les sp´ecialistes de la spectroscopie infrarouge. Le lecteur peut se rapporter `a la repr´esentation du silane tmspm p. 54 pour comparer les fonctions chimiques identifi´ees sur le spectreftir. L’assignation des pics permet notamment d’identifier des bandes d’absorption caract´eristiques des fonctions acrylate entre 1600 et 1700 cm−1. Les pics `a 1720 et 1702 cm−1sont assign´es aux vibrations destretchingde la liaison C=O dans le groupe –C=C–C(=O). Les pics `a 1640 et 877 cm−1 sont assign´es aux modes stretching de la liaison C=C et aubendingC–H hors-plan du groupe –C=CH2 ([246] pp.163, 104, 106). La r´egion 1000−1300 cm−1 est plus complexe ; elle contient des modes provenant de diff´erentes bandes. Elle inclut les modesstretching asym´etrique (1250−1300 cm−1) et sym´etrique (1050−1200 cm−1) de C–O–C ([246] p.177). Elle contient ´egalement les modes de phonons9 optiques longitudinaux (LO) et transverses (TO) de complexes Si–O–Si, form´es soit entre mol´ecules de silane r´eticul´ees, soit `a partir de la chimisorption sur la surface de silicum oxyd´ee (mode TO dans la gamme 1040−1060 cm−1, mode LO dans la gamme 1150−1200 cm−1). Une particularit´e importante du mode de phonon LO est son absence sur le spectre obtenu en incidence quasi-normale (Fig. 2.29 (b)) ; cela signifie qu’il est polaris´e normalement `a la surface. Deux autres contributions possibles dans la r´egion 1000−1300 cm−1 sont le modestretchingde Si–O–C `a 1100 cm−1 et le moderocking(balancement) de CH3 `a 1190 cm−1; ces deux contributions peuvent ˆetre dues `a une hydrolyse incompl`ete du silane (Si–O–CH3).
R´esultats et discussion – PNIPAM. Le spectre obtenu sur l’´echantillon comprenant la couche d’accroche de silane et le pnipam est donn´e `a la Fig. 2.30. L’analyse ftir r´ev`ele la pr´esence de bandes d’absorption caract´eristiques des groupes amide I et amide II entre 1500 et 1700 cm−1. On observe ´egalement des bandes d’absorption autour de 3000 cm−1, correspondant au groupe isopropyl (se rapporter `a la repr´esentation dupnipam p. 25). Plus pr´ecis´ement, les pics entre 1500 et 1700 cm−1 sont attribu´es `a plusieurs modesstretchingde CH (–CH3 et –CH2) ; le pic `a 1656 cm−1 correspond au mode stretching de C=O (amide I) ; le pic `a 1535 cm−1 est affect´e au modebending de NH (amide II), avec les modes stretching correspondants autour de 3300 cm−1. Les bandes
`a 1460 cm−1 et 1377 cm−1 correspondent respectivement aux modes de bending asym´etrique et sym´etrique de CH3; la bande d’absorption `a 1460 cm−1 peut ´egalement contenir une contribution des modesscissoring (cisaillement) de –CH2, qui chevauchent le mode bending de –CH3.
Conclusion. Les spectres et leur analyse confirment la pr´esence de tmspm et de chaˆınes de pnipam sur les substrats de silicium. Les mesures ont ´et´e effectu´ees sur des ´echantillons nettoy´es de fa¸con rigoureuse `a l’eau et en bain ultrasons, pour d´ecrocher les ´eventuelles chaˆınes de pnipam physisorb´ees sur la surface. On peut donc en conclure que ces chaˆınes sont chimisorb´ees sur la surface : notre chimie est efficace.
9Un phonon est un quantum de vibration dans un solide cristallin. Les branches optiques apparaissent `a partir de plusieurs atomes par maille primitive. CharlesKittelpr´esente ces notions de fa¸con approfondie dansPhysique de l’´etat solide [226], chap. 4.
64 CHAPITRE 2. TECHNOLOGIE PNIPAM
Fig. 2.29 – Spectre ftir d’un ´echantillon de silicium doublement poli fonctionnalis´e avec le silane tmspm. (a) Angle de Brewster, (b) angle quasi-normal.