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Block copolymers demonstrate potential in next-generation lithography as a solution for overcoming the limitations of conventional lithographic techniques. Ideal block copolymer materials for this application can be synthesized on a commercial scale, have high [chi]-parameters promoting self-assembly into sub-20 nm pitch domains, have controllable alignment and orientation, and have high etch contrast between the domains for facilitating pattern transfer into the underlying substrate. Block copolymers that contain silicon in one domain are attractive for nanopatterning since they often fulfill at least three of these requirements. However, silicon-containing materials are notoriously difficult to orient in thin films due to the low surface energy of the silicon-containing block, which typically wets the free surface interface. In this work, the methodology behind material choice and the synthesis of new silicon-containing block copolymers by a variety of polymerization techniques will be described. Thin film self-assembly of the block copolymers with domains oriented perpendicular to the plane of the substrate is achieved using different solvent annealing and neutral surface treatments with thermal annealing conditions. Block copolymer patterns are transferred to the underlying substrate by reactive ion etching and directed self-assembly of the polymers is demonstrated using chemical contrast patterns. Interesting thermodynamics governing the self-assembly of block copolymers with solvent annealing will also be discussed. Finally, new amphiphilic block copolymers will be described that were created with lithographic applications in mind but that are most useful for biological applications in drug delivery. / text

La présente thèse s’inscrit dans un projet collaboratif de type CEFIPRA entre l’Inde (Dr. Ravi Kumar, Department of Metallurgical and Materials Engineering, Indian Institute of Technology-Madras (IIT Madras), Chennai) et la France (Dr. Samuel Bernard, Institut Européen des Membranes, CNRS, Montpellier). Les travaux de thèses se sont consacrés à la synthèse de céramiques de type non-oxyde autour de systèmes binaires (nitrure de silicium et nitrure de bore) et ternaires (Si-M-N, B-M-N (M=Ti, Zr, Hf)) à partir de précurseurs moléculaires et polymères, i.e., la voie polymères précéramiques ou PDCs. L’idée principale de ce travail est de former des structures nanocomposites à partir des systèmes ternaires dans lesquelles des nanocristaux de nitrures métalliques (M=Ti, Zr, Hf) se développent pendant la synthèse du nitrure de silicium et du nitrure de bore. Une caractérisation complète allant des polymères aux matériaux finaux a été conduite. Ces matériaux ont ensuite été préparés sous forme de composés mésoporeux (monolithes) en couplant la voie des polymères précéramiques à une approche de nanomoulage. Ces monolithes à haute surface spécifique et mésoporosité interconnectée ont alors été appliqués comme support de nanoparticules de platine pour l’hydrolyse du borohydrure de sodium pour générer de l’hydrogène. Les performances en tant que support de catalyseur ont été évaluées en termes de volume d’hydrogène libéré et de reproductibilité. Nous avons montré que les nanocomposites TiN/Si3N4 de surface spécifique très élevée présentent les meilleures performances grâce à l’activité catalytique du Si3N4 amorphe, de la présence de TiN nanométrique et de l’effet synergétique entre les nanoparticules Pt, le TiN nanostructuré et le Si3N4 amorphe. En preuve de concept, nous avons montré que ces structures nanocomposites étaient multifonctionnelles: elles peuvent être appliquées en tant que supports d’électro-catalyseurs et matériaux d’électrodes dans les piles à combustibles et les super-condensateurs, en particulier pour ceux contenant des matériaux lamellaires 2D et du carbone libre. / The thesis has been funded by a collaborative research partnership between Indian (Dr. Ravi Kumar, Department of Metallurgical and Materials Engineering, Indian Institute of Technology-Madras (IIT Madras), Chennai) and French institutes (Dr. Samuel Bernard, European Membrane Institute, CNRS, Montpellier), IFCPRA/CEFIPRA. It is focused on the synthesis, and characterization of binary (silicon nitride and boron nitride) and ternary (Si-M-N, B-M-N (M = Ti, Zr, Hf)) ceramics which are prepared through a precursor approach based on the Polymer-Derived Ceramics (PDCs) route. The idea behind the preparation of the ternary systems is to form nanocomposite structures in which metal nitrides (M = Ti, Zr, Hf) nanocrystals grow during the synthesis of silicon nitride and boron nitride. A complete characterization from the polymer to the final material is done. Then, these materials have been prepared as mesoporous monoliths coupling the PDCs route with a nanocasting approach to be applied as supports of platinum nanoparticles for the hydrolysis of liquid hydrogen carriers such as sodium borohydride. The performance as catalyst supports has been evaluated in terms of volume of hydrogen released and reproducibility. We showed that the very high specific surface area TiN/Si3N4 nanocomposites displayed the best performance because of the catalytic activity of amorphous Si3N4, the presence of nanoscaled TiN and the synergetic effect between Pt nanoparticles, nanoscaled TiN and amorphous Si3N4. Interesting, these materials are multi-functional as demonstrated as a proof of concept: they can be applied as electrocatalyst supports, electrode materials for fuel cells and supercapacitors, in particular those containing 2D layered materials and free carbon.

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.L’objectif de cette étude était, en premier lieu, de mettre en place en Thaïlande un testd’adhésion par traction-écaillage sur une machine de traction classique (test« macroscopique »), de le comparer au test « microscopique » Grenoblois fonctionnant dansla chambre du MEB et de l’utiliser pour évaluer l’adhérence des calamines de process sur desaciers industriels. Deux paramètres ont été étudiés, la vitesse de déformation et la teneur desaciers en silicium. Il apparaît que l’écaillage des calamines au cours du test augmente quandaugmente la vitesse de déformation. Une vitesse de déformation élevée entraîne unedéformation au premier écaillage plus faible, donc une adhérence mesurée plus faible. Ceteffet est lié aux phénomènes de relaxation. On a pu alors montrer que la présence d’oxyde(s)contenant Si, situé(s) à l’interface avec le métal, augmentait l’adhérence. Les étudesd’oxydation dans la vapeur d’eau qui ont aussi été réalisées ont révélé que la présence desilicium réduisait la vitesse d’oxydation. En augmentant la teneur en Si, les couches defayalite et de wüstite s’épaississent ; par contre, les couches externes s’amincissent. Pour lesaciers contenant du cuivre, la vitesse d’oxydation est réduite quand la teneur en Cu estaugmentée. De la même façon, les couches internes sont plus épaisses et on observe uneaugmentation du nombre de précipités de Cu quand la teneur en cet élément augmente. / The purpose of this study was first to develop in Thailand a “macroscopic” adhesion testusing a conventional tensile machine, to compare it to the micro-tensile test used in Grenobleand sitting in the SEM chamber, and to use it for measuring adhesion of scales grown duringprocessing on industrial steels. Parameters affecting the test, i.e. strain rate and Si content ofsteels were investigated. The results showed that spallation of scales during strainingincreased with increasing tensile strain rate. A higher strain rate resulted in lower straininitiating the first spallation and lower mechanical adhesion of scales, which could beexplained by a relaxation effect. Oxide containing Si existed at the steel-scale interface andpromoted adhesion of scales. Oxidation studies were also performed, and the behaviour inwater vapour of steels with different contents of Si and Cu was investigated. Increasing Sicontent tended to decrease oxidation rate. It also resulted in the thickening of the wüstite andfayalite layers which formed by internal oxidation. When Si in steel increased, theintermediate (FeO + Fe3O4) and outermost (Fe2O3 sitting on Fe3O4) layers formed by externaloxidation were thinner. For Cu containing steel, increasing Cu content tended to decrease theoxidation rate. It also decreased the innermost and intermediate layers and resulted in moreCu precipitates along steel-scale interface.