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Photostructuration des matériaux polymères : étude physico-chimique en vue d'apllications en micro-optique et stockage d'information
Résumé
Dans ces travaux de thèse, une étude fondamentale mettant en jeu une approche microscopique couplée à des mesures spectroscopiques a été réalisée afin de caractériser et contrôler les mécanismes de photostructuration d'un matériau photopolymérisable à base d'acrylates.
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Deux techniques de microstructuration ont été considérées : l'une holographique et l'autre lithographique en sortie de fibre optique. En particulier, les phénomènes de diffusion de colorant et d'oxygène dans la matrice photopolymérisable lors de l'irradiation inhomogène ont été mis en évidence, grâce à des mesures de spectroscopie UV-Visible et de l'énergie seuil de polymérisation. Le couplage encre polymérisation et diffusion est discuté et son influence sur les propriétés finales des microstructures polymères est démontrée. Il est également montré que l'effet de filtre interne et celui de l'inhibition par l'oxygène, généralement indésirables dans les systèmes photochimiques, sont mis a profit dans la création des pointes polymères pour induire un gradient décroissant de polymérisation et ainsi confiner le volume polymérisé. L'utilisation de 1'AFM en « pulsed force mode » a permis, pour la première fois, de réaliser un suivi quantitatif de la réaction de photopolymérisation sur ce type de matériau avec une résolution submicronique. En particulier, le signal PFM a été corrélé au taux de conversion de monomère déterminé par spectroscopie FTIR. Ces travaux ont permis d'étendre la résolution spatiale du matériau et de sélectionner les paramètres clés dans la fabrication de micropointes polymères. Par ailleurs, les méthodes expérimentales mises en place et l'approche suivie permettent d'établir des concepts pouvant être appliqués à d'autres matériaux et d'envisager, par conséquent, des élargissements à d'autres domaines d'application en micro- et nano-fabrication..We investigated physico-chemical mechanisms involved in the photostructuring of photopolymerizable materials. - Two experimental configurations based on spatially controlled polymerization were used: holographic gratings recording and photolithography at the end of optical fiber. In particular, UV-visible spectroscopy and measurements of polymerization threshold energy were performed in order to characterize the role of diffusion of dye and oxygen molecules throughout the photopolymer matrix during inhomogeneous irradiation. The coupling between polymerization and diffusion processes is discussed and its influence on the final properties of the polymer microstructures is highlighted. We have also demonstrated that during the fabrication of end-of-fiber polymer tips, the effects of internai filter and oxygen inhibition, generally undesirable in photopolymerization, can be advantageously used to confine the polymerized volume. AFM used in Pulsed Force Mode was employed to give information on the photostructuration process with submicronic resolution. The close examination of the PFM signal brought accurate information on the local photoinduced modification of the film. In particular, we correlate the PFM signal to the monomer conversion that was measured by FTIR spectroscopy. This study allowed expanding the spatial resolution of the material and selecting the synthesis parameters leading to an improvement in the mechanical and optical properties of the polymer tip. From a fondamental point of view, the experimental methodology and the fondamental approach followed in this work appeared to be of highest interest to investigate the photostructuration of polymers at the micro- and nano-scales.
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