Interface silicium/couche organique: Maitrise des propriétés et fonctionnalisation
Résumé
Organic layers covalently grafted onto silicon surfaces are promising as model systems for fundamental research and applications: ultra thin layers, chemical or biochemical sensors. This work makes use of different characterization techniques for studying these systems. The influence of the system preparation on these various characteristics is examined. Surface morphology is controlled by AFM microscopy. Chemical and electrical stability of the interface are investigated ex situ and in situ in contact with an electrolyte by photoluminescence, surface photovoltage, Mott-Schottky measurements and infrared spectroscopy in ATR Mode. Si-alkyl surfaces exhibit the same quality as Si-H surfaces with a higher stability, even in contact with buffer solutions up to pH 11. The effect of charges adsorbed at the surface has also been explored by a quantitative titration of grafted carboxyl-terminated monolayers. This titration shows that ionization of the carboxyl groups on surfaces starts around pH 6 and extends over more than 6 pH units: Observations are consistently accounted for by a model taking into account change in ion solvation at the surface and electrostatic interactions between surface charges. An original method of functionalization of dense alkyl layers by treatment in oxidising plasma is presented. The characterization, in situ by infrared spectroscopy and ex situ by X-ray photoelectron spectroscopy, and the composition of the oxygen plasma give an evidence for the etching of the layers at the highest power and integrity of those at low power: a mechanism of chain functionalization is proposed.
Les couches organiques greffées de façon covalente sur le silicium apparaissent comme des systèmes prometteurs tant sur le plan fondamental qu'en raison des nombreuses applications envisageables : couches minces diélectriques, capteurs chimiques ou biochimiques. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de ces systèmes par diverses techniques. La stabilité chimique et électrique de l'interface au cours du temps et au sein d'un électrolyte de pH variable sont décrites. La morphologie de la surface est contrôlée par microscopie AFM. La nature chimique du système est déterminée par spectroscopie infrarouge en mode ATR et par spectroscopie de photoélectrons X. La qualité électrique de l'interface est étudiée par des mesures de photoluminescence, photopotentiel et Mott-Schottky. L'influence de la préparation sur les diverses caractéristiques du système est examinée. L'effet de charges adsorbées en surface a également été exploré par une titration quantitative de l'ionisation de groupements carboxyles greffés en surface. Enfin, une méthode originale de fonctionnalisation de couches alkyles greffées de compacité maximum par traitement dans un plasma doux oxydant est présentée. Le suivi du système, in situ par spectroscopie IR et ex situ par XPS, ainsi que la connaissance de la nature du plasma d'oxygène ont permis de mettre en évidence une destruction de la couche aux plus fortes puissances et une intégrité de celle-ci aux plus faibles puissances : un mécanisme de fonctionnalisation des chaînes dans ce régime est proposé.
Mots clés
Chemical grafting
Silicon
Hydrogenated surface
Hydrosilylation
Ultrathin functionalized monolayer
Covalent attachment
Stability
Electronic properties
Surface titration
Functionalization
Infrared
Oxygen plasma
Infrared spectroscopy
Xps
Afm
Photoluminescence
Surface photovoltage
Mott-Schottky diagrams
In situ measurements.
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