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Propriétés mécaniques de films
polymères ultraminces
Hugues Bodiguel
Polymères confinés
� Milieu confiné : taille du système ~ taille caractéristique de la matière
� Systèmes :
� Films minces
� Nanocomposites
100 nm
Image AFM (phase)
d’un élastomère
chargé par des
particules de silice
h
� Tailles caractéristiques :
� Monomère (0.3 nm)
� Longueur entre
enchevêtrements (3 nm)
� Rayon de gyration (3 – 30 nm)
Polymères confinés…
� Taille des domaines coopératifs intervenant dans la transition vitreuse (??? nm)
hD. Long and F. LequeuxEur. Phys. J. E 4, 371–387 (2001)
temps / température
Caoutchouc Liquide
visqueux
fonduvitreux Tg
Transition vitreuse de films polymères ultraminces
Forrest and Dalnoki-Veress , Adv. Colloid Interface Sci., 94 167–96 (2001)
Films sur substrat
Indépendant de Mw
Films suspendus :
Dépend de Mw
� Réduction de Tg
Dalnoki-Veress et al., Phys. Rev. E, 63 031801 (2001)
� Une dynamique complexe
� Zone de transition élargie
� Forte dépendance avec la vitesse de rampe de température
� A T > Tg ?
� Diffusion plus lente ?
Frank et al., macromolecules, 29, 6531 (1996)
Dynamique dans les films ultraminces
Rôle du confinement
sur le spectre de temps ?
� Intérêts :
� Fortes variations des propriétés mécaniques à l’approche de Tg
� Viscoélasticité : accès à un large spectre de temps
� Informations structurelles
� Défi expérimental :
� Démouillage sur substrat liquide
Ge et al., PRL 85, 2340 (2000) O’Connell, McKenna, Science 307, 1760 (2005)
Perturbation par la pointe ? Films ultraminces très rigides ?
Propriétés des surfaces : sondes locales
Réponse mécanique de“nanobulles”
Rôle du substrat ? Interprétations ?
Démouillage
G. Reiter, M. Sferrazza, and P. Damman,
Eur. Phys. J. E 12, 133–138 (2003)
Approche mécanique ?
• Mesure non perturbatrice
• S’affranchir du substrat
Plan
1. Démouillage sur substrat liquide
2. Propriétés des films ultraminces
3. Discussions sur l’état initial� Vieillissement
� Contraintes résiduelles
� Conséquences des forces de surfaces
Loi de Laplace RP /2γ=∆ h
hP /2γ=∆Equivalent à
Démouillage de films minces
Principe : mesurer la réponse mécanique aux forces de surface
Sur un liquide :
pas d’interaction mécanique avec le substrat
liquidfilmfilmliquidS /γγγ −−=Paramètre d’étalement
S < 0 : surface non-mouillante hSP /=∆
Film de 200 nm
flottant sur du glycérol
1 mm
Expérience de traction à contrainte imposée hS /=σ
= +
Analyse de la mécanique du démouillage
� Polystyrène : 50kDa <Mw<1500 kDa
� Spin – coating sur mica
� Solutions de PS dans
du toluène
� Films entre 20 et 300 nm
� Recuit sous vide à T > Tg
� 8 jours à Tg + 30
� Décollage dans l’eau
� Transferts sur un bain de glycérol
(froid)
Démouillage sur substrat liquide
� Mesure par ellispométrie
� Contrôle de l’épaisseur
� Transfert sur glycérol chaud ( T > Tg)
� Echelon de température très rapide
� Température contrôlée
� Visualisation avec une caméra
eau
eau Glycérol
Observation avec une caméra
Polymère utilisé: Polystyrene (Mw = 49; 286; 1406 kg/mol)
Substrat : Glycerol
Epaisseur initiale135 nm
Démouillage sur substrat liquide
� Quelques indications de
l’extension simple
� Formes homothétiques
� Epaisseur uniforme
� Couleurs
� Profilmètre + AFM
Extension simple : Validation
� Déformation indépendante de l’aire initiale
( ) ( )
=
=
)(
0lnln
0 tAire
Aire
h
htε
105°C,
286kDa
Temps (s)
Def
orm
atio
n
�Mesure de la déformation
105°C, PS 286k
Expansion thermique
(~ 1.5%)
Linéarité : Validation
)(tε
Réponse linéaire !
temps (s)
Réponse mécanique aux
tensions de surface
hS /=σContrainte appliquée
)(thε
temps (s)
Différentes épaisseurs …
log D(t)
log t
Zone de transition
Etat vitreux
Plateau
Ecoulement
η/tJ ≈
10-6 Pa-1
10-10 Pa-1
Mw
Accessible expérimentalmeent
( ) ( )tDt 0σε =
130°C, 286k
PS (Tg = 98°C)h0 = 72 nm
Viscoélasticité et fonction de complaisance
� Réponse à une contrainte imposée
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
Axe
Y
10-7
10-5
10-3
10-1
101
103
Axe X
Plateau caoutchoutique
Accord quantitatif avec
la valeur du plateau
caoutchique en volume
:
S ~ 5 mJ/m2
Temps courts : Validation
� Complaisance aux temps courts : Dépendance en masse
M ~ Me
M > Me
Début de l’écoulement378 K
Tk
MD
B
ee ρ15
6=
Aux temps longs : Film polymère = liquide visqueux
εησ &=
h
h
h
S &
η=
Accord quantitatif avec la viscosité
en volume en utilisant S = 5 mJ/m²
tS
hhη
+= 0
Temps longs : Validation
Temps (s)
Temps (s)
Epa
isse
ur (
nm)
)(tε
−=
0
0 expTT
Bηη
h0 : seul paramètre
ajustable
Loi VFT :B = 1456.3 K
T0= 50.2°CPour le PS :
Viscosité extensionnelle linéaire !
4.3
0 ~ wMη
Validation : Temps longs
film
R
h
410−<film
liquide
h
R
ηη
Conclusions sur le démouillage sur liquide
• Pas de frottements
• Inertie négligeable
Pas de bourrelet
Reiter, PRL 89,186101 (2001)
Démouillage de films sur substrat solide
Démouillage sur subtrat liquide
=
Expérience de traction à contrainte imposée
� Pas d’interaction mécanique avec le substrat
Conclusions sur le démouillage sur liquide
Dalnoki-Veress, Nickel, Roth, Dutcher,
PRE 59, 2153 (1999)
Ouverture de trous dans des films viscoélastiques :
Interprétation délicate
Démouillage sur subtrat liquide
=
Expérience de traction à contrainte imposée
film
R
h� Pas d’interaction mécanique avec le substrat
� Géométrie simple …… déformations simples
Conclusions sur le démouillage sur liquide
Démouillage sur subtrat liquide
=
Expérience de traction à contrainte imposée
� Pas d’interaction mécanique avec le substrat
� Géométrie simple …… déformations simples
� Contrôle de l’état initial…Spin-coating, contraintes résiduelles, Recuit !
film
R
h
Conclusions sur le démouillage sur liquide
� Mesure de la fonction de complaisance linéaire de films
minces
� Temps longs / T >> Tg :
� Viscosité
� Temps intermédiaires :
Plateau caoutchoutique
� Temps courts / proche de Tg
Temps de transition :
difficulté d’interprétation (rôle de l’histoire thermique).
� Mesure des contraintes résiduelles
PlanPlan
1. Démouillage sur substrat liquide
2. Propriétés des films ultraminces
3. Discussions sur l’état initial� Vieillissement
� Contraintes résiduelles
Rg = 32 nm
PS 1407 k, T = 378K (Tg +5) Valeur du plateau caoutchoutique :
Pas de variations !
Le confinement n’influence
pas la densité
d’enchevêtrements…
Rg
h
Films ultraminces : plateau caoutchoutique
� Plateau caoutchoutique en fonction de l’épaisseur
Tk
MD
B
ee ρ15
6=
Films ultraminces : plateau caoutchoutique
� Echelle caractéristique pour la variation de la densitéd’envêtrements ?Rayon de gyration Rg ou Distance entre enchêtrements Re ?
� Simulations :La densité d’enchevêtrements diminue proche d’une surface, sur une taille caractéristique Rg(Vladkov et Barrat, arXiv:cond-mat/0606058, Meyer et al., arXiv:cond-mat/0609127)
� Complaisance au plateau indépendante de l’épaisseur :taille caractéristique < Rg
... Distance entre enchevêtrements Re !
ee NbR ~ 3 nm
surface
� Nature des enchevêtrements ?
� Elongation dans le domaine vitreux : Lun Si et al., PRL 94, 127801 (2005)
Diminution de la densité effective d’enchevêtrements.
� Le volume occupé par une chaîne proche de la surface est plus faible
Les chaînes de surface sont moins interpénétrées. (Brown et Russel, macromolecules 1996)
Conséquence : moins d’enchrevêtrements inter-chaîne
plus d’enchevêtrements intra-chaîne
� Conclusion distances caractéristiques:
� Densité totale d’enchevêtrement : Re
� Nature intra/inter : Rg
Films ultraminces : plateau caoutchoutique
Rgsurface
0ηS
dt
dh =Volume :)(h
S
dt
dh
effη=Films ultraminces : ?
Réduction de la viscosité !
Films ultraminces : Viscosité
1−
dt
dh)(th
Epaisseur initiale :Epaisseur initiale :
PS 1406
Rg est la distance caractéristique !
Films ultraminces : Viscosité
� Rôle de la longueur des chaînes ?
Rg
Films ultraminces : Viscosité
� Normalisation :
Viscosité effective
Fonction arbitraire
�Modélisation :
Rg
Films ultraminces : Viscosité
� Normalisation :
Viscosité effective
Fonction arbitraire
�Modélisation :
La viscosité est très faible sur
une couche d’épaisseur Rg
� Interprétations ?
� Influence de la nature des enchevêtrementsDiminution des enchevêtrements inter-chaînes sur une distance Rg ?
� Effet d’une couche très mobile à la surface …Comment est modifiée la reptation près de la surface ?
� Expériences sur substrat solide :Diffusion plus lente
Rôle du substrat sur la dynamique de la chaîne !!!
Analogie avec le mouvement de glissement
proposé par De Gennes pour expliquer les
réductions de Tg
De Gennes, Eur. Phys. J. E 2, 201 (2000)
Films ultraminces : Viscosité
Lien avec les réductions de Tg
)(exp
)(
00 gTTT
Bh
∆+−=
ηη
Comment le confinement modifie-t’il le spectre de te mps ?
� Réductions de Tg ?
Si on interprète la réduction
de viscosité comme un simple
décalage de Tg ...
� Ordre de grandeur similaire
� Variation différente avec Rg
� Réductions de Tg ?
Si on interprète la réduction
de viscosité comme un simple
décalage de Tg ...
� Ordre de grandeur similaire
� Variation différente avec Rg
)(exp
)(
00 gTTT
Bh
∆+−=
ηη
Comment le confinement modifie-t’il le spectre de te mps ?
Lien avec les réductions de Tg
� Réductions de Tg ?
Si on interprète la réduction
de viscosité comme un simple
décalage de Tg ...
� Ordre de grandeur similaire
� Variation différente avec Rg
)(exp
)(
00 gTTT
Bh
∆+−=
ηη
Comment le confinement modifie-t’il le spectre de te mps ?
Lien avec les réductions de Tg
Films ultraminces : conclusions
�Valeur de la complaisance au plateau
caoutchoutique indépendante de l’épaisseur :
Les enchevêtrements ne sont pas modifiés à l’échelle de Rg
� La viscosité est fortement réduite
Rg est la distance qui gouverne le phénomène
Très faible viscosité sur une couche d’épaisseur Rg
PlanPlan
1. Démouillage sur substrat liquide
2. Propriétés des films ultraminces
3. Discussions sur l’état initial� Vieillissement
� Contraintes résiduelles
Rôle de l’état initial
� Etat vitreux : état hors-équilibre
� Etat initial :
dépend de l’histoire du système depuis l’équilibre
Histoire thermique : T1 = Tg + 2… Tg + 30
temperature
Température ambiante
Recuit 130°C (8 jours)
Spin-coating
substratsubstrat
solution diluée
substrat
Tgfraction volumique
Histoire « mécanique » :
� Etat vitreux : etat hors équilibre
� Histoire thermique depuis l’équilibre :
Etat vitreux : Temps de relaxation très longs…
temps de retour à l’équilibre !!!
T1 = Tg + 2… Tg + 30
temperature
Température ambiante
Recuit 130°C (8 jours)
Saut en température très rapide !!
Histoire thermique
)(
)(
T
Ta
ref
T ηη
=
Temps courts effectifs ≠≠≠≠ temps d’équilibre
PS 54k
Histoire thermique
tempsaT *
)(stemps
écoulement
tempsaT *
Différentes températures …
Histoire thermique
L’histoire thermique joue
un grand rôle :
Les temps testés mélangent
temps d’équilibre et temps
de retour à l’équilibre
Ecart à l’équilibre
prédit par TNM
Des
cent
e le
nte
Trem
pe105°C
L’histoire thermique joue
un grand rôle :
Les temps testés mélangent
temps d’équilibre et temps
de retour à l’équilibre
101°C
Ecart à l’équilibre
prédit par TNM
Histoire thermique
Des
cent
e le
nte
Trem
pe
Des
cent
e le
nte
Trem
pe105°C
Histoire thermique : conclusions
� Temps courts difficiles à
interpréter
� Réduction de Tg ?
� Réduction du temps de retour à
l’équilibre ?
� Difficilement compatible avec
les très grand décalages de Tg
observés pour les films
suspendus
� Saut de température ultra-rapide…� Grande sensibilité à l’histoire thermique
� Une étude possible des propriétés de l’état vitreux ?
� Histoire “mécanique” depuis l’équilibre :
� Relaxation des contraintes résiduelles…temps terminal (reptation ?)
� Le recuit permet de rejoindre l’équilibre
Contraintes résiduelles
Hypothèse :
Etat hors-équilibre accessible par une déformation élastique …
Spin coating … ?
Chaine
gaussienne
isotrope Chaîne anisotrope ?
σ = 0 σ ≠ 0
Spin-coating
substratsubstrat
solution diluée
substrat
fraction volumiqueTg
- Relaxation rapide de la majorité
des contraintes résiduelles
- Existence d’une relaxation
anormalement lente
(temps de reptation à 130°C : 10 min)
Temps de recuit
Epaisseur initiale 135 nm
Recuit at 130°C :
105°C, 286kContraintes résiduelles : ~ 0.2-0.5 MPa
σ = σsurface + σrésiduelles
Contraintes résiduelles
)(tε
Temps
Echantillons non-recuits Contraintes résiduelles
Une partie des contraintes résiduelles semble relaxer très rapidement….
Contraintes résiduelles
� Influence de l’épaisseur sur les contraintes résiduelles
� Spin coating : produit des films très hors-équilibres.
� Etirement uniforme dans les directions planes
� Déformation de l’ordre de l’unité
� Recuit sur substrat : relaxation très lente
� La majeure partie des contraintes résiduelles relaxe rapidement
� Recuits anormalement longs
� Est-ce bien l’équilibre ?
� Contraintes résiduelles ?
� Origine élastique
� Autres contributions ?
Contraintes résiduelles : Conclusions
Conclusions et Perspectives (1)
� Structure des films ultramines
� Densité d’enchevêtrements non affectée
� Réduction de Viscosité
� Interprétations ?
� Influence de la nature du polymère ?
� Confirmation par d’autres types de mesure …
� Réduction de Tg…
� Pas de réelle mesure, mais des observations non
compatibles avec les très grands décalages de Tg
� Mesures sur tout le spectre de temps…
• Expérience de démouillage ?
• Autre expérience sur substrat liquide ?
Conclusions et Perspectives (2)
� Vieillissement de films minces.
� Films minces : sauts de température ultra-rapides.
� Caractérisation des propriétés de l’état vitreux ?
� Vieillissements dans les films ultraminces : mesure du volume…
� Contraintes résiduelles
� Durée et température de recuit
� Recuits très courts / basse température : état initial hors équilibre du film.
� Couplage avec d’autres techniques :
ellipsométrie, diffusion...