MR dopé avec des colorants azobenzènes (AZD)

Si on dope un MR avec des colorants azobenzènes on peut profiter des qualités des deux matériaux. Il est en effet possible d'aligner les AZD avec un faisceau lumineux polarisé comme expliqué au paragraphe 3.3.3. Sous forme Trans les AZD ont une forme de bâtonnet, les molécules de MR environnant vont avoir tendance à s'aligner avec eux, le faisceau polarisé va donc pouvoir aligner tout le matériau, MR et AZD ensemble. Le colorant azobenzène fonctionne comme une commande de l'alignement de la couche de MR, en alignant les molécules dopantes on entraine l'alignement des monomères. Une fois l'alignement obtenu on peut le figer en polymérisant le MR [68].

On dispose alors d'une couche photo alignée stable qui peut servir à aligner des CL. Des MR ont été récemment (2009) utilisés pour stabiliser une couche de photoaligne- ment contenant des azobenzènes [69] mais les MR n'ont jamais été utilisés directement, à notre connaissance, comme matrice pour des colorants azobenzènes.

On possède donc en théorie une méthode de photo-alignement. Les AZD sont alignés par un faisceau lumineux, ils entraînent avec eux les MR. On polymerise alors les MR pour figer l'alignement et avoir un matériau robuste. L'alignement des MR est à son

tour transmis aux CL qui entrent en contact avec le substrat lors du remplissage de la cellule.

C'est cette méthode de photo-alignement qui sera décrite dans les chapitres 5 et 6. Nous allons maintenant nous intéresser à la fabrication des couches minces de MR dopées et à leur comportement sous excitation laser.

4.3.3 Fabrication

La fabrication des couches MR se fait en 3 étapes : dopage du MR, déposition et polymérisation. Les détails de la fabrication sont présentés à l'annexe B.3.

Dopage

Nous utilisons un mésogène acheté chez Merck, le RMS03-001C. Il se présente sous la forme d'une solution, le MR est dilué à 30% dans un solvant. Le colorant azobenzène utilisé est TAZD2 qui est présenté sur la figure 3.3. Il a été choisi pour sa disponibilité au laboratoire et la position de sa raie d'absorption, cette molécule absorbe en effet à une longueur d'onde très proche de la raie laser à 514nm de l'argon. Ceci permet de facilement isomériser le colorant avec le laser du laboratoire. Le colorant est ajouté à la solution de mésogène à une concentration de 0.5% en poids. Il est ensuite mélangé pendant 20 minutes à l'aide d'un bain à ultrasons.

Déposition

Le RMS03-001C est dit "planaire" car il est conçu pour s'aligner dans le plan du substrat sur du PI frotté. La solution de MR dopée est donc déposée sur un substrat de PI frotté. Le PI frotté est obtenu conformément à la procédure décrite au paragraphe 4.2. La déposition se fait par spin coating comme dans le cas du PL La couche de MR dopé est ensuite chauffé pendant 1 minute à 56°C pour évaporer le solvant.

Polymérisation

Le MR est polymérisable par la lumière UV à 365nm. La polymérisation du MR est sensible à la présence d'oxygène, nous allons donc garder la couche de MR dans une enceinte remplie d'azote après le chauffage à 56°C pour limiter l'effet de l'oxygène. La polymérisation du MR est effectuée à l'aide d'une lampe UV d'une puissance de

20mW/cm2, pendant 20 minutes.

4.3.4 Caractérisation

Nous allons déterminer les propriétés des couches minces de MR créées. Ce qui nous intéresse principalement est la modification de la transmission entre polariseur et ana- lyseur croisés sous l'effet du laser puisque cela peut nous renseigner sur la modification de la biréfringence et donc de l'alignement des molécules de MR dans l'échantillon. Notons que la transmission nous donne des informations sur l'alignement des molécules dans le volume mais ne nous permet pas de conclure sur l'alignement des molécules à l'interface air/MR. Ce sont les molécules en surface qui nous intéressent puisque ce sont elles qui sont capable de transmettre leur alignement aux cristaux liquides qui seront déposés dessus.

Épaisseur

Nous avons mesuré l'épaisseur de la couche de MR à l'aide d'un AFM, en mesurant la profondeur d'un trou dans la couche de MR, le profil est présenté sur la figure 4.4a . L'épaisseur mesurée est également corroborée par une mesure au profiloscope Dektak présentée sur la figure 4.4b, les mesures donnent une épaisseur D = 700 ± 50nra.

Polymérisation

Nous avons réalisé des mesures de transmission de couches minces de MR dans l'infrarouge grâce un spectromètre. Les raies qui permettent de définir le taux de poly-

mérisation sont le pics acrylate à 810 cm'1 et un pic de référence à 850 cm'1. Le taux

de polymérisation (en %) est défini comme :

T - 100 ( l - AîreP8™<™-1/Aire%™<™-1 \ ( 4 1 .

5 10 15 20 25 ym

(a) Profil par AFM (b) Profil par Dektak

FlG. 4.4: Profil d'épaisseur d'une couche de MR par deux techniques différentes, les mesures concordent.

où Airei c m-\p désigne l'aire sous le pic à i c m '1 pour un échantillon polymérisé et

Airei c r n-inp la même aire pour un échantillon non polymérisé.

Les mesures de spectres pour nos échantillons peuvent être trouvées sur la figure 4.5a. Une mesure du taux de polymérisation pour différents temps de polymérisation se trouve sur la figure 4.5b

On voit sur la figure 4.5 que la polymérisation atteint un niveau satisfaisant autour de 15 à 20 minutes d'exposition et augmente peu par la suite.

Alignement azimutal

Avant de pouvoir induire un alignement polaire nous voulons voir si le PI frotté a induit un alignement azimutal dans le MR.

P o l a r i m é t r i e s i m p l e Pour savoir si le MR possède un bon alignement azimutal il est possible d'utiliser un montage polarimétrique. Nous plaçons l'échantillon à mesurer entre polariseur et analyseur croisés sous un laser de sonde en incidence normale, nous faisons alors tourner l'échantillon autour d'un axe qui lui est perpendiculaire et nous en- registrons sa transmission. Si l'échantillon est isotrope la transmission ne dépend pas de l'angle azimutal de l'échantillon. Si l'échantillon est biréfringent uniaxe, la transmission varie et oscille avec une période d 90°, comme l'illustre la-figure 4.6.

On peut aussi remarquer que la couche de MR est peu diffusante, ce qui montre qu'il n'y a pas de micro-domaines de MR. L'alignement est homogène dans tout l'échantillon.

- dopé non pofymértsé

■ Mon dopé H M de poJyméns---t_ori : lOmmutes Non dopé durée de polymérisation : 20miou.es

820 BOO ■ d'onde (/cm)

(a) Spectre d'absorption dans TIR

l i

i

Temps do polymérisation (min)

(b) Pourcentage de conversion

FlG. 4.5: Caractérisation du pourcentage de conversion des MR, on voit ici les spectres et le pourcentage de conversion que l'on en a tiré en se basant sur la figure 4.5a. Les raies utilisées pour caractériser la polymérisation dans la figure 4.5a sont caractéristiques des groupements acrylates. Le pic à 810cm- 1 est en effet caractéristique de la liaison C-H dans le groupement

150 200 Angle C)

FlG. 4.6: Transmission d'une lame de MR sur PI frotté entre polariseur et analyseur croisés en fonction de l'orientation azimutale de l'échantillon

On peut voir que la transmission est bien périodique, avec un minimum tous les 90°. On a donc un alignement azimutal des molécules de MR, seules responsables de la birefringence dans notre couche mince.

Spectres AZD Nous avons montré l'alignement des MR grâce à la technique habi- tuelle de frottement d'un substrat de PI. Il est également intéressant de vérifier l'aligne- ment des molécules d'AZD2 pour savoir si elles ont suivi les molécules de MR dans leur alignement. Si c'est le cas c'est un bon signe puisque notre but est le photo-alignement des MR par les AZD2, qui est le phénomène réciproque de ce que nous voulons mesurer ici.

Pour mesurer l'alignement des molécules d'AZD2 nous allons nous appuyer sur le fait que l'absorption des AZD2 est différente selon que la polarisation de la lumière est parallèle avec leur axe ou bien perpendiculaire. Si nous voyons une différence d'absorp- tion significative entre ces deux polarisations perpendiculaires c'est qu'un alignement des AZD2 existe. Si les AZD2 sont alignées aléatoirement l'absorption sera isotrope.

Nous avons donc placé une lame de MR dopée en AZD2 et polymérisée dans un spectromètre et nous avons mesuré son absorbance. Le résultat est visible sur la fi- gure 4.7. Les colorants azobenzènes Trans absorbent différemment la lumière selon que sa polarisation est parallèle ou perpendiculaire avec leur axe. Le fait que le spectre d'absorption soit fortement anisotrope montrent que les AZD2 sont alignés.

On a montré qu'on peut fabriquer des couches minces de MR dopé par 0.5% de colorant AZD2 sur du PI frotté et obtenir une couche de bonne qualité optique possédant

0 3 5 0.3 0.25 Ê 0.2

— Polarisation perpendiculaire au frottement Polarisation parallèle au frottement

FlG. 4.7: Spectre d'absorption de VAZD2 pour deux polarisations incidentes linéaires et orthogonales entre elles.

un bon alignement azimutal.