Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie. Self-assembly of block copolymers (BCPs) attracts much interest due to their ability to spontaneously generate ordered materials with unique properties. For many applications, such as masks in nanolithography, separation membranes in medical diagnostics, and nanotemplates for nanowire fabrication, manufacturing into thin films is required. The Langmuir-Blodgett (LB) and Langmuir-Schaefer (LS) techniques are commonly used to produce ultrathin or monolayer films at the air/water interface that are transferred to solid substrates. LB/LS films of amphiphilic BCPs self-assemble into various morphologies, depending on the BCP composition and other factors. In our work, we investigated LB/LS films of polystyrene-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) and their supramolecular complexes with, naphthol (NOH), naphthoic acid (NCOOH) and 3-n-pentadecylphenol (PDP). The first part of the thesis was devoted to the investigation of PS-P4VP complexes with NOH and NCOOH, in comparison to PS-P4VP alone. It was shown that a plateau in the Langmuir isotherm, indicative of a first-order transition, is absent at high spreading solution concentrations for the complexes. This was correlated with an absence of the expected dot morphology with 2D hexagonal-like order at low surface pressure. Above the transition, when present, the morphology has 2D square order. The second part of the thesis re-examines the PS-P4VP/PDP system, which was previously shown to undergo a transition from 2D hexagonal to square order at the isotherm plateau pressure. This was confirmed here, and a detailed ATR-IR study of LB films was then undertaken to better understand molecular-level changes occurring at this transition. It was found that, contrary to another study in the literature on a different system, there is no change in alkyl chain orientation. Instead, it was found that the pyridine group loses its low-pressure orientation and there is increased phenol-pyridine hydrogen-bonding above the transition pressure, which is rationalized by a partial collapse of the low-pressure molecularly ordered P4VP monolayer at the transition pressure. This study leads to an improved understanding of the processes occurring at the air/water interface, which is a basis for the further possible applications of LB/LS films in nanotechnologies.

Keyphrases: Langmuir-Blodgett, ATR-IR, PS-P4VP, PDP, NOH, NCOOH, Copolymères à bloc, Auto-assemblage, Langmuir-Blodgett, Interface air/eau, Block copolymers, Self-assembly, Langmuir-Blodgett, Air/water interface, AFM, ATR-IR, PS-P4VP, PDP, NOH, NCOOH, Langmuir-Blodgett