Photo-Induced On-Surface Synthesis to Elaborate Highly-Ordered Covalent Structures on Insulating Substrates – Light4Net

Light4Net est un projet collaboratif associant IM2NP et FEMTO-ST, deux unités de recherche françaises reconnues en Nanosciences. De nombreuses applications en nanotechnologie nécessitent un contrôle très précis de la taille, de la forme et des propriétés des nano-objets organiques étudiés. La synthèse directement sur surface de ce type d’objet se développe malgré quelques défauts importants comme la nécessité d’utiliser une surface métallique et la présence de nombreux défauts dans ces nano-objets.

CONTEXTE
L’élaboration de structures organiques ordonnées à l’échelle nanométrique sur des surfaces est très prometteuse en raison de leur potentialité applicative. Néanmoins, la fabrication de ces réseaux réguliers covalents étendus reste très difficile et se limite généralement à des surfaces de quelques dizaines de nanomètres carrés. En revanche, la plupart des applications technologiques visées par la nanotechnologie moléculaire exigent :
- l'existence de bandes électroniques avec des propriétés de conduction élevées,
- le découplage des états électroniques de ceux du substrat, et
- la stabilité mécanique et thermique de la couche moléculaire.
Ces critères ne peuvent être satisfaits que par l’utilisation sur des surfaces isolantes recouvertes par des réseaux moléculaires covalents.
La littérature sur les couches moléculaires covalentes est principalement restreinte aux surfaces métalliques. Dans ce cas, la polymérisation est alors principalement induite par l’effet des électrons du substrat. Dans le cas des surfaces isolantes, la polymérisation est plus difficile à réaliser car la surface n’est pas riche en électron et le recuit thermique entraîne souvent une désorption des molécules. En accord avec nos résultats préliminaires, nous proposons d’utiliser la lumière comme stimulus afin de provoquer des polymérisations radicales sur des surfaces isolantes pour obtenir des nanostructures covalentes étendues et sans défaut.

Nouveauté et défis scientifiques
Trois défis majeurs sont identifiés :
(i) Polymérisation radicalaire photo-induite sur substrats isolants masiifs ou en films minces.
(ii) Nanostructures covalentes et conjuguées 1D (dépassant 10 microns) ou 2D (couvrant plus 1 micron carré).
(iii) Imagerie et spectroscopie nc-AFM à très haute résolution pour caractériser les monomères, oligomères ou polymères vises.

Méthodologie
Le projet se découpe en trois tâches scientifiques :
WP1 : Synthèse moléculaire. Les molécules posséderont des groupes qui pourront être photo-polymérisés par voie radicalaire qui serviront d’initiateurs lors de la synthèse des nanostructures. Des tests préliminaires de photo-polymérisation seront effectués en solution pour déterminer les conditions photochimiques.
WP2: Photo-polymérisation sur surface: les paramètres de dépôt des molécule et les conditions de photo-polymérisations seront optimisés pour obtenir les structures les plus étendues possibles.
WP3 : Détails des mécanismes de photo-polymérisation. Utilisation des techniques de microscopie nc-AFM avec une résolution ultime pour identifier les étapes élémentaires de croissance de polymères.

Résultats attendus
1) Des méthodes synthèses efficaces pour proposer de molécules possédant les propriétés nécessaires pour photo-générer des radicaux et être adsorbées sur des surfaces isolantes.
2) Démontrer que le contrôle de la cinétique permet de faire croitre des nanostructures contrôlées sur des surfaces isolantes.
3) Caractériser le plus finement possible toutes les étapes intermédiaires de croissance pour obtenir des structures sans défaut et étendues.