The relentless commercial drive for smaller, faster, and cheaper semi-conductor devices has pushed the existing patterning technologies to their limits. Photolithography, one of the crucial processes that determine the feature size in a microchip, is currently facing this challenge. The immaturity of next generation lithography (NGL) technology, particularly EUV, forces the semiconductor industry to explore new processing technologies that can extend the use of the existing lithographic method (i.e. ArF lithography) to enable production beyond the 32 nm node. Two new resolution enhancement techniques, double exposure lithography (DEL) and pitch division lithography (PDL), were proposed that could extend the resolution capability of the current lithography tools. This thesis describes the material and process development for these two techniques. DEL technique requires two exposure passes in a single lithographic cycle. The first exposure is performed with a mask that has a relaxed pitch, and the mask is then shifted by half pitch and re-used for the second exposure. The resolution of the resulting pattern on the wafer is doubled with respect to the features on the mask. This technique can be enabled with a type of material that functions as optical threshold layer (OTL). The key requirements for materials to be useful for OTL are a photoinduced isothermal phase transition and permeance modulation with reverse capabilities. A number of materials were designed and tested based on long alkyl side chain crystalline polymers that bear azobenzene pendant groups on the main chain. The target copolymers were synthesized and fully characterized. A proof-of-concept for the OTL design was successfully demonstrated with a series of customized analytical techniques. PDL technique doubles the line density of a grating mask with only a single exposure and is fully compatible with current lithography tools. Thus, this technique is capable of extending the resolution limit of the current ArF lithography without increasing the cost-of-ownership. Pitch division with a single exposure is accomplished by a dual-tone photoresist. This thesis presents a novel method to enable a dual-tone behavior by addition of a photobase generator (PBG) into a conventional resist formulation. The PBG was optimized to function as an exposure-dependent base quencher, which mainly neutralizes the acid generated in high dose regions but has only a minor influence in low dose regions. The resulting acid concentration profile is a parabola-like function of exposure dose, and only the medium exposure dose produces a sufficient amount of acid to switch the resist solubility. This acid response is exploited to produce pitch division patterns by creating a set of negative-tone lines in the overexposed regions in addition to the conventional positive-tone lines. A number of PBGs were synthesized and characterized, and their decomposition rate constants were studied using various techniques. Simulations were carried out to assess the feasibility of pitch division lithography. It was concluded that pitch division lithography is advantageous when the process aggressiveness factor k₁ is below 0.27. Finally, lithography evaluations of these dual-tone resists demonstrated a proof-of-concept for pitch division lithography with 45 nm pitch divided line and space patterns for a k₁ of 0.13. / text

When azobenzene-modified photosensitive polymer films are irradiated with light interference patterns, topographic variations in the film develop that follow the electric field vector distribution resulting in the formation of surface relief grating (SRG). The exact correspondence of the electric field vector orientation in interference pattern in relation to the presence of local topographic minima or maxima of SRG is in general difficult to determine. In my thesis, we have established a systematic procedure to accomplish the correlation between different interference patterns and the topography of SRG. For this, we devise a new setup combining an atomic force microscope and a two-beam interferometer (IIAFM). With this set-up, it is possible to track the topography change in-situ, while at the same time changing polarization and phase of the impinging interference pattern. To validate our results, we have compared two photosensitive materials named in short as PAZO and trimer. This is the first time that an absolute correspondence between the local distribution of electric field vectors of interference pattern and the local topography of the relief grating could be established exhaustively. In addition, using our IIAFM we found that for a certain polarization combination of two orthogonally polarized interfering beams namely SP (↕, ↔) interference pattern, the topography forms SRG with only half the period of the interference patterns. Exploiting this phenomenon we are able to fabricate surface relief structures below diffraction limit with characteristic features measuring only 140 nm, by using far field optics with a wavelength of 491 nm. We have also probed for the stresses induced during the polymer mass transport by placing an ultra-thin gold film on top (5–30 nm). During irradiation, the metal film not only deforms along with the SRG formation, but ruptures in regular and complex manner. The morphology of the cracks differs strongly depending on the electric field distribution in the interference pattern even when the magnitude and the kinetic of the strain are kept constant. This implies a complex local distribution of the opto-mechanical stress along the topography grating. The neutron reflectivity measurements of the metal/polymer interface indicate the penetration of metal layer within the polymer resulting in the formation of bonding layer that confirms the transduction of light induced stresses in the polymer layer to a metal film. / Azobenzolhaltige Polymere gehören zu einer Klasse funktionaler Materialien, bei denen durch ein äußeres Strahlungsfeld eine starke mechanische Reaktion ausgelöst werden kann. Durch die Bindung an das Polymerrückgrat können die Azobenzole, die unter UV-Belichtung eine Photoisomerisierung ausführen, was zum Teil drastische Effekte zur Folge hat. Unter Belichtung mit Intensitätsmustern, d.h. mit räumlich variierender Verteilung der Polarisation oder der Intensität des einfallenden Lichts verändert sich die Topographie der azobenzolhaltigen Filme, was zur Bildung von Oberflächengittern (engl. Surface Relief Gratings, SRG) führt. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode vorgeschlagen, bei der das Verhalten elastischer/morphologischer Eigenschaften unter verschiedenen Belichtungsbedingungen, d.h. mit unterschiedlicher Verteilung der Polarisation und der Intensität in situ lokal als Funktion der Position entlang der SRG aufgenommen werden kann. Außerdem wurde hier vorgeschlagen, opto-mechanische Spannungen, die innerhalb der photosensitiven Polymerfilme während der Belichtung entstehen, mit Hilfe dünner aufgebrachter metallischen Schichten abzubilden und zu analysieren.

With the emergence of novel and more effective drug therapies, increased importance is being placed upon the methods by which these drugs are being delivered to the body. In conventional drug delivery systems, there is very little control over the release of drug. The effective concentration at the target site can be achieved by intermittent administration of grossly excessive doses, which, often results in constantly, unpredictable variations in plasma concentrations, with the risk of reaching levels below or above the therapeutic range leading to marked side effects. A plethora of formulation strategies mainly based on polymeric/lipid nanoparticles, are described in literature. Even though these systems are therapeutically advantageous in comparison to conventional systems, they remain insensitive to the changing metabolic states of the body although the symptoms of most metabolic diseases follow a rhythmic pattern.A more appropriate and effective approach of managing some of these conditions lies in the chronotherapy. This approach allows for pulsed or self-regulated drug delivery which is adjusted to the staging of biological rhythms, since the onset of certain diseases exhibits strong circadian temporal dependence. In order to reach the objective of mimicking the biophysical and biochemical processes of pathological states, many innovations in material design for drug delivery systems (DDS) that are able to release the therapeutic payload-on-demand were done to release the therapeutic agent only when it is required, according to the physiological need. The development of multidisciplinary research teams has brought huge advantages in the design, fabrication and utilization of such smart systems, especially in the pharmaceutical field. Interestingly, numerous smart polymeric materials exhibit a response to a specific stimulus. A step further, the elaboration of purpose-built monomers can give rise to compounds with tunable sensitivities or multi-stimuli responsiveness. These smart polymers demonstrate an active responsiveness to environmental (or external) signals and change their physicochemical properties as designed (e.g. conformation, solubility, shape, charge or size). As far as the stimuli are concerned, they consist of physical (e.g. temperature, ultrasound, light, electricity, magnetic or mechanical stress), chemical (e.g. pH, ionic strength) and biological signals (e.g. enzymes, biomolecules). Due to the intrapersonal variabilities which may make internal stimuli hazardous, externally controlled systems rely on externally applied stimuli that are produced by stimuli-generating devices, which results in pulsed drug delivery. This type of delivery may be rapid and allows a transient release of a determined amount of drug within a short period of time immediately after a pre-determined off-release period. A novel strategy for the formation of multi-stimuli responsive materials endowed with pH, magnetic and light sensitivity was achieved. The approach relied on the incorporation of magnetic tetrahalogenoferrate(III) anions along a polymeric backbone based on poly(2-(N,N-dimethylamino) ethyl meth-acrylate) (PDMAEMA). Starting from the same PDMAEMA, quaternized pending amine groups with various halide derivatives gave rise to magnetic materials after anion metathesis. Measuring the magnetic susceptibility of these materials exhibited that the magnetic susceptibility increased as the substituted group size decreased (become smaller) which was apparently related to the steric hindrance around the ionic pendants. Additionally, a good correlation between the magnetic susceptibility and ferric content was found. Additional experimental and theoretical Raman analyses allowed the determination of the nature of the magnetic species constituting the materials. This strategy further offers the opportunity to tailor the magnetic response through partial ammonium salt formation. In order to merge the magnetic properties of ferric-based materials with another stimuli-responsive functionality, random copolymers containing DMAEMA (D) with diazobenzene (A) unit were prepared. So, three copolymers PDA were synthesized (with targeted D/A ratios 4/6 (PDA4), 6/4 (PDA6) and 8/2 (PDA8)). Meanwhile, different degrees of amine quaternization (10, 50 and 100 %) were applied, which led to the following polymeric salts PDAX/Y where X = 4, 6, 8 (referring to the percentage of the DMAEMA unit) and Y = 10, 50 and 100 (referring to the percentage of quaternized amine groups). Finally, the aforementioned materials were converted into magnetic polymers by anion exchange. As a result, magnetic responses correlated well with amount of iron oxide in these compounds and the amount of ionic pending groups along the backbone. Moreover, the remaining tertiary amines conferred pH sensitivity to the polymers whereas the diazobenzene units ensured light responsiveness through the well-established trans-to-cis isomerization.In order to functionalize these materials in the pharmaceutical field, an intelligent delivery system was prepared. Firstly, an attempt to formulate riboflavin-5’-phosphate sodium (RPS) loaded on PDA8 microspheres was made using double emulsion evaporation method. Meanwhile, prednisolone (PRD) microspheres were prepared using s/o/w emulsion technique. Subsequently, coating systems of cochineal red tablets were developed. These tablets were coated with polymer solution (using each of three types of copolymers: PDA8, PDA6, and PDA4) until the desired percentage of the coating was achieved (10, 15, and 20 % w/w). The cumulative release profiles of cochineal red tablets coated with PDA8, PDA6, and PDA4 showed a pH-sensitive release behavior. The release in the neutral media (pH ≈ 7.0) was very slow (less than 3 % after one hour). Then, after changing the pH to 1.2, an increase in the release of cochineal was observed. Furthermore, the cumulative release of cochineal red was at the highest value for the PDA8 and the lowest for PDA4 depending on the percentage of PDMAEMA moieties. Moreover, by increasing the percentage of the coating from (10, 15 to 20 % w/w), the cumulative release of cochineal decreased. Therefore, the copolymer PDAX can be used for controlling the release of drug by changing the pH value.Finally, the cochineal tablets coated with PDA6 (10 %) showed features of light sensitivity. The release of cochineal red from coated tablets was only due to the switching in the conformational trans/cis isomerization of azobenzene moieties upon irradiation, which was confirmed by comparing the release of coated tablets with uncoated tablets upon irradiation. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese neuer photoreaktiver Polymere, die bei Bestrahlung mit Licht (Hg-Dampflampe, fs-gepulster Ti:Sa-Laser) definierte Reaktionen durchlaufen. Mittels kontrolliert-radikalischer Polymerisation und anschließender polymeranaloger Reaktion wurden verschiedene Azobenzen-Derivate, Arylazosulfonat-Derivate und photolabil geschützte Aminogruppen (Nitroveratryloxycarbonyl, Nvoc) in Methacrylat-Polymere eingeführt. Diese Strukturen wurden ausführlich hinsichtlich ihrer Struktur und vor allem ihrer photochemischen Eigenschaften (Extinktionskoeffizienten, Zerfallskinetik) untersucht. Dünne Schichten (d<30nm) der so hergestellten Materialien wurden bei der Entwicklung einer neuen photolithographischen Methode, der plasmonischen Nanolithographie, eingesetzt.:INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGS- UND SYMBOLVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 2.1 PHOTOREAKTIVE POLYMERE 2.1.1 Azobenzenhaltige Polymere und deren Anwendungen 2.1.2 Arylazosulfonathaltige Polymere und deren Anwendungen 2.1.3 Photolabil geschützte Amine in Polymeren und zur Oberflächenstrukturierung 2.2 NICHT-LINEAR OPTISCHE EFFEKTE - FREQUENZVERDOPPLUNG 2.3 OBERFLÄCHENPLASMONENRESONANZ UND SHG AN METALLISCHEN NANOPARTIKELN 2.4 PHOTOCHEMISCHE STRUKTURIERUNG DÜNNER SCHICHTEN 2.5 NANOLITHOGRAPHISCHE STRUKTURIERUNG MITTELS PLASMONISCHER EFFEKTE AN METALLNANOSTRUKTUREN 3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 3.1 AZOBENZENHALTIGE POLYMERE 3.1.1 Synthese niedermolekularer Azobenzen-Derivate 3.1.2 Anbindung an Polymermatrix 3.1.3 Photochemische matrixabhängige Untersuchung der Isomerisationskinetik 3.1.4 Bestrahlung in dünnen Schichten mit gepulstem Femtosekunden-Laser 3.2 ARYLAZOSULFONATHALTIGE POLYMERE 3.2.1 Kontrolliert-radikalische Polymerisation von Arylazosulfonat-Monomeren 3.2.1.1 Synthese der arylazosulfonathaltigen Monomere 3.2.1.2 RAFT-Polymerisation von (AS-Mon2) 3.2.2 Polymeranaloge Einführung von Arylazosulfonateinheiten 3.2.3 Präparation und Bestrahlung dünner Schichten 3.3 PHOTOLABIL GESCHÜTZTE AMINOPOLYMERE 3.3.1 Synthese von statistischen Nvoc-geschützten Aminocopolymeren 3.3.1.1 Anbindung des Nvoc-geschützten Amins über Esterbindung 3.3.1.2 Anbindung des Nvoc-geschützten Amins über Reaktion mit Nvoc-Cl 3.3.2 Nvoc-haltige Diblockcopolymere 3.3.2.1 Synthese von P(MMA-co-GMA)-b-P(MMA-co-NvocCMS) 3.3.2.2 Synthese von P(MMA-co-MAA)-b-P(MMA-co-NvocAEMA) 3.3.3 Präparation dünner Schichten der (Block-)Copolymere 3.3.4 Bestrahlung mit gepulstem Femtosekunden-Laser 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 5 EXPERIMENTALTEIL 5.1 ANALYTISCHE METHODEN 5.2 AUFBAU FÜR DIE FS-LASER-BESTRAHLUNG 5.3 VERWENDETE CHEMIKALIEN 5.4 SYNTHESEN 5.4.1 Azobenzen-Derivate 5.4.1.1 Niedermolekulare Verbindungen 5.4.1.2 Polymerisationen und polymeranaloge Reaktionen 5.4.2 Arylazosulfonate 5.4.2.1 Niedermolekulare Verbindungen 5.4.2.2 Freie radikalische Polymerisation 5.4.2.3 RAFT-Polymerisationenen 5.4.2.4 Polymeranaloge Reaktion 5.4.3 Nvoc-geschützte (Block-)Copolymere 5.4.3.1 Niedermolekulare Verbindungen 5.4.3.2 Polymerisationen 5.4.3.3 Polymeranaloge Reaktionen 5.5 WAFERREINIGUNG UND PRÄPARATION DÜNNER SCHICHTEN LITERATURVERZEICHNIS DANKSAGUNG VERSICHERUNG

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique. / Dip-coating is a rapid and efficient method for forming thin films of block copolymers (BCPs) of various thicknesses and nano-morphologies. However, very few studies focused on dip-coating of supramolecular and/or photosensitive BCPs. Dip-coating of poly(styrene-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) BCPs was first studied using the small molecules (SM), 1-naphthoic acid (NCOOH) and 1-naphthol (NOH), which can form hydrogen bonds with the P4VP block, in four different solvents [tetrahydrofuran (THF), p-dioxane, toluene and chloroform]. The uptake molar ratio, SM/VP, in the thin films generally increases with the dip-coating rate, but its variation is strongly dependent on the solvent and the PM used. More specifically, the uptake ratio as well as the morphology of the dip-coated thin films depend on the ability (or lack thereof) of the solvent to form hydrogen bonds with the SM and its selectivity towards the PS block, which leads (or does not lead) to micellar P4VP/PM solutions, where the rigidity of the micellar cores influences the kinetic state of the dried thin film. The dependence of film thickness on the dip-coating rate, which is V-shaped, defines two regimes, termed capillarity and draining. These regimes influence the uptake ratio and final morphologies differently. Subsequently, we investigated a relatively low molecular weight PS-P4VP (24k-9,5k), which does not form micellar solutions in THF, complexed with two photosensitive azobenzene (AB) small molecules, namely 4-hydroxy-4'-butyl-azobenzene (BHAB) and 4-hydroxy-4'-cyano-azobenzene (CHAB). These ABs not only can form hydrogen bonds with the P4VP block but can also isomerize between trans and cis forms under illumination. Experiments with PS-P4VP/BHAB in THF (non-micellar) and toluene (micellar) showed that irradiation during dip-coating provokes a transition from spherical to cylindrical morphology at low dip-coating rates not observed in the dark. This transition is explained by the increase in the BHAB/VP uptake ratio under illumination and by the larger volume of the BHAB cis form relative to BHAB trans isomers. Irradiation also increases the film thickness, even without AB present, which is attributed to a heating effect. Thus, the combination of in-situ irradiation with dip-coating has been shown to be a useful and simple method for external control of photosensitive thin film patterns. Finally, THF solutions of PS-P4VP/CHAB and PS-P4VP/BHAB with the low molecular weight BCP (non-micellar) and a BCP of higher molecular weight (36,5k-16k, micellar) were investigated to understand the effect of shorter (CHAB) vs. longer (BHAB) AB half-life and the presence or not of micelles in solution. The morphological photocontrol loses some of its effectiveness with CHAB, as shown by the less pronounced increase in uptake ratio of CHAB compared to BHAB in the illuminated films relative to non-irradiated films dip-coated from THF solutions. The presence of micelles does not influence the (BHAB/VP) uptake ratio, but it slows down the morphological evolution in the drying films, as shown by the freezing in of greater spherical morphological character compared to the non-micellar solution, thereby limiting the possibilities of a morphological transition.

Ο όρος μη γραμμική οπτική (nonlinear optics) αναφέρεται στον κλάδο της φυσικής που μελετά τις μεταβολές που επέρχονται στις οπτικές ιδιότητες της ύλης, όταν αυτή αλληλεπιδρά με ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Οι δέσμες λέιζερ (laser) αποτελούν το κατ’ εξοχήν ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που χρησιμοποιείται για να προκαλέσει τη μη γραμμική οπτική απόκριση της ύλης, λόγω της ισχυρής ακτινοβολίας. Με την ανακάλυψη του λέιζερ τη δεκαετία του 1960, παράλληλα αναπτύχθηκαν πολλές τεχνικές μέσω των οποίων καθίσταται εφικτός ο προσδιορισμός της μη γραμμικής οπτικής απόκρισης των υλικών. Κίνητρο για αυτή την εκτεταμένη έρευνα αποτελεί το γεγονός ότι υλικά με σημαντική μη γραμμική απόκριση βρίσκουν πολλές εφαρμογές στη φωτονική και την οπτοηλεκτρονική. Ειδικότερα, τέτοια υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικοί περιοριστές (optical limiters) για την προστασία από υψηλές δέσμες λέιζερ, ως οπτικοί διακόπτες (optical switches), καθώς και ως οπτικές λογικές πύλες (optical logic gates) κ.α. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον στο πεδίο των μοριακών διακοπτών (molecular switches). Ο όρος μοριακός διακόπτης αναφέρεται στην δυνατότητα ύπαρξης ενός μορίου μεταξύ δύο διαφορετικών καταστάσεων, ικανότητα που θα αποτελέσει την αφετηρία για μια λειτουργία “on/off”, σε μοριακό επίπεδο. Υποψήφια μόρια που μπορούν να υποστηρίξουν μια διακοπτική λειτουργία είναι εκείνα που παρουσιάζουν κάτω από ορισμένες συνθήκες αλλαγή σε μια εγγενή ιδιότητά τους, όπως ο φθορισμός, η αγωγιμότητα, η μαγνήτιση, ο στερεο-ισομερισμός, η μη γραμμικότητα κ.α. Σκοπός της παρούσας ειδικής ερευνητικής εργασίας ήταν ο προσδιορισμός της τρίτης τάξης μη γραμμικής οπτικής απόκρισης μοριακών συστημάτων που περιέχουν αζοβενζόλιο, υπό μορφή διαλυμάτων. Τα μόρια αυτά είναι ενδιαφέροντα γιατί αφ’ ενός εμφανίζουν trans/cis ισομερισμό, αφ’ ετέρου παρουσιάζουν μια αλλαγή στη μη γραμμικότητά τους εξαιτίας του φωτο-ισομερισμού του διπλού δεσμού –N=N-. Η δομή της εργασίας έχει ως εξής : Στο πρώτο κεφάλαιο θα γίνει μια περιγραφή της μη γραμμικής αλληλεπίδρασης ύλης-πεδίου, η εξαγωγή της μη γραμμικής κυματικής εξίσωσης, καθώς επίσης και μερικών φυσικών διαδικασιών που περιγράφονται μέσω αυτής. Στο δεύτερο κεφάλαιο θα περιγραφεί η πειραματική τεχνική που ακολουθήθηκε, θα αναφερθούν οι οπτικές παράμετροι που σχετίζονται με τη τρίτης τάξης μη γραμμικότητα και τέλος θα περιγραφεί η διαδικασία ανάλυσης των πειραματικών αποτελεσμάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο θα γίνει μια σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης καθώς και των κυριότερων οργάνων που την αποτελούν. Στο τέταρτο κεφάλαιο θα παρουσιασθούν τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την εργασία. Αρχικά παρουσιάζεται μια σύντομη περιγραφή των μοριακών συστημάτων που μελετήθηκαν. Ακολουθεί η μη γραμμική οπτική απόκριση των συστημάτων για διέγερση με παλμούς χρονικής διάρκειας 35 ps, στα 532 και 1064 nm,και ακολουθεί ο προσδιορισμός της μη μεταβατικής μη γραμμικής απόκρισης για διέγερση με παλμούς διάρκειας 4 ns. Αναφέρονται τα συμπεράσματα από τη μελέτη των συστημάτων και ακολουθεί μια πρόταση για μελλοντική μελέτη. / Extensive research in the field of molecular switches promises a wide variety of switching mechanisms characterized by an eclectic range of intrinsic properties regarding their luminescence, conductivity, magnetic and optical outputs. Because of their controlled alternating properties and the ease of their preparation and modification, molecular switches hold the promise of becoming pivotal components of organic–integrated photonic devices. Among the many available systems, azobenzene dyes represent a particularly promising class of organic switchable materials. The advantage of azobenzene chromophores as molecular switches is based not only on the large geometrical change accompanying the cis–trans isomerization, but also on their photo–stability, and the ease of their preparation and derivatization. In addition, azobenzene chromophores, exhibiting in general large nonlinear optical response, are characterized by an important change in their third-order nonlinear optical response due to the photo-isomerization of the –N=N- double bond. The purpose of this work is hence to describe how the NLO properties of the azobenzene are influenced when surrounded by an always more electron-donating and conjugated environment. In order to do so, we are studying three azobenzene-centered molecules. In two of them, the switch is bonded to two electron-rich groups such as alkylated anilines via either one or two ethynil spacers. In the latter, a Zn-porphyrin was instead linked to the aza-core. The insertion of a porphyrin core was driven by its high polarizability and optical oscillator strength which gives the material remarkable NLO behavior, making it potentially useful for ultra-fast switching technologies. In that view, the nonlinear optical response of these novel azobenzene based molecules dissolved in dichloromethane are studied by means of Z-scan technique using 35 ps laser pulses at 532 and 1064 nm. From the measurements, the nonlinear absorption and refraction and the corresponding third-order susceptibility χ(3) and second hyperpolarizability are determined.

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs. / Much effort in the area of polymer materials involves the development of new functional materials for specific, often highly sophisticated, applications using simplified methods of synthesis and preparation. This thesis focuses on photo-responsive polymers – i.e. functional materials that respond in various ways to light – that are prepared with the aid of supramolecular chemistry – i.e. a preparation method that relies on the spontaneous selfassembly of simpler molecular building blocks via noncovalent interactions to form the final targeted material. Two types of photo-responsive materials were targeted, namely block copolymer thermoplastic elastomers (TPEs) and photo-responsive homopolymer complexes. TPEs are well-known, even commercial, materials that are typically based on triblock copolymers with a highly flexible middle block and rigid outer blocks that phase separate into isolated domains of the hard, outer block phase within a matrix of the soft block phase, and they have the advantage of being recyclable. For the first time, to our knowledge, we have prepared such materials with photo-responsive properties based on supramolecular complexation between a simpler parent triblock copolymer and a small molecule possessing the photo-responsive functionality via an azobenzene group. Specifically, this involved the ionic complexation of the quaternized form of a block copolymer, poly(dimethylaminoethyl methacrylate)-poly(n-butyl acrylate)-poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDM-PnBAPDM), synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP), with methyl orange (MO), a commercially available SO3 --functionalized azo-containing compound. PnBA has a subambient glass transition (-46 °C) and the MO-complexed PDM outer blocks have a high glass transition (140-180 °C, depending on the molecular weight). Simple elasticity tests show that the complexed block copolymers with hard block weight fractions between about 20 and 30% have elastomeric character. AFM and TEM (atomic force and transmission electron microscopies) of spin-coated films show a correlation between the elastomeric character and morphologies where the hard block forms a dispersed minority phase (spherical and/or short cylindrical domains). A continuous hard phase (inverted morphology) is observed for a hard block content of around 37 wt %, which is much lower than found for neutral block iv copolymers due to ionic interactions. Reversible photoisomerization was demonstrated for these materials in both solution and in film form. The synthesis of the PDM-PnBA-PDM block copolymer was then optimized by using the halogen exchange technique in ATRP, along with other modifications to the polymerization recipe. Monodisperse products were obtained for both the macroiniaitor and the block copolymer. Based on a single parent block copolymer, a series of partially/fully quaternized and complexed block copolymers were prepared. Preliminary stretching tests on the MO-complexed block copolymers showed that their elasticity is correlated with the hard block content, which can be tuned by the degree of quaternization and complexation. Finally, a series of homopolymer complexes self-assembled from PDM and azobenzene derivatives bearing three different groups capable of directed interactions with the amino moiety of PDM (OH, COOH and SO3 -) were prepared, where the azo derivative associates with PDM via hydrogen-bonding interactions, by ionic bonding mixed with hydrogen bonding through proton-transfer (acid-base) interactions, and by purely ionic interactions via ion exchange procedures, respectively. The influence of the azo content and bonding type on surface relief grating (SRG) inscription was investigated. The SRG diffraction efficiencies and grating depths in spin-coated films show that ionic bonding and high azo content leads to more efficient SRG formation.

Les matériaux moléculaires amorphes, aussi appelés verres moléculaires, sont constitués de molécules organiques de petite taille capables de s’organiser de façon désordonnée. En plus de présenter certaines des propriétés analogues à celles des polymères, ils offrent des avantages supplémentaires, puisqu’ils sont des espèces isomoléculaires dont la synthèse, la purification et la mise en œuvre sont facilitées par leur viscosité relativement faible. Toutefois, la préparation souvent exigeante de ces matériaux et leur durée de vie utile limitée par leur tendance à relaxer vers l’état cristallin demeurent des obstacles à leur utilisation pour certaines applications, e.g. opto-électronique, nanolithographie, pharmaceutique. Le développement de stratégies visant à faciliter la préparation de la phase vitreuse et éviter sa cristallisation est donc essentiel à la conception de matériaux moléculaires amorphes fonctionnels. L’objectif principal de cette thèse est d’établir des relations entre la structure moléculaire des verres moléculaires et leurs propriétés. Pour y arriver, différentes librairies de composés modèles, des dérivés analogues de triazine ayant démontré une excellente capacité à former une phase vitreuse, sont utilisées pour i) déterminer l’influence de la nature et de la position des groupements sur la triazine; ii) explorer l’influence des liaisons hydrogène sur les propriétés des verres lorsque leur structure comporte des groupements fonctionnels reconnus pour faciliter la cristallisation et lorsque leurs conditions de préparation se rapprochent de celles employées en industrie et iii) exploiter la phase amorphe afin d’étudier la photosensibilité des azobenzènes (azo) en vue d’optimiser leur utilisation dans des applications. Tout d’abord, l’influence des différents groupes substituants sur la triazine (groupements de tête, auxiliaires et liants) sur la capacité des composés à former une phase vitreuse (GFA), sur sa stabilité cinétique (GS) et sur sa température de transition vitreuse (Tg) est étudiée. Un système de classification des composés développé à partir de mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et des mesures de spectroscopie infrarouge (IR) à température variable combinées à des analyses chimiométriques facilitent la rationalisation des rôles joués par chaque groupe. L’impact des liaisons hydrogène (H), de la barrière énergétique de rotation et de l’encombrement stérique des groupements est ainsi déterminé, permettant de conclure que le groupe de tête est le plus influent et que la présence de liaisons H n’est pas essentielle au GFA mais qu’elle est importante pour obtenir une Tg élevée. Ensuite, l’influence des liaisons H sur les propriétés des verres se rapprochant de ceux exploités dans l’industrie est explorée. Des mesures de spectroscopie IR à température variable, de DSC et de résolution de structures cristallines ont permis de conclure que les liaisons H réussissent à nuire à la cristallisation des composés et ce, même s’ils sont simultanément fonctionnalisés avec des motifs qui favorisent la cristallisation (empilements π-π entre dérivés stilbènes fluorés et non fluorés). De plus, trois composés analogues fonctionnalisés avec un groupement de tête possédant une capacité décroissante à établir des liaisons H (donneur, accepteur, aucune) ont été déposés en phase vapeur (PVD), une technique employée entre autres dans l’industrie opto-électronique pour évaluer leur capacité à former des verres ultrastables. Les films ainsi préparés présentent tous des propriétés similaires à celles des verres ultrastables précédemment étudiés, telles qu’une plus grande densité et anisotropie, et sont tous plus stables que ceux préparés par refroidissement à partir de l’état liquide. Toutefois, le verre formé du composé avec un groupement de tête donneur de liaisons H est moins stable que les autres d’au moins un ordre de grandeur, suggérant que les liaisons H limitent le niveau de stabilité atteignable par PVD. Finalement, un verre à base de triazine fonctionnalisé avec un groupement azo est employé pour étudier d’un point de vue moléculaire les perturbations provoquées par la photoisomérisation de l’azo. Grâce à une nouvelle méthode de spectroscopie IR, il est possible d’observer un gradient d’environnement moléculaire le long de la molécule lors de la photoisomérisation, permettant de soutenir certaines hypothèses relatives au déplacement macroscopique de la matière qui en résulte. Les mélanges de verres à base de triazine servent aussi de plateforme idéale pour découpler l’influence de la Tg et du contenu en azo sur la photo-orientation de l’azo, mais aussi sur la cinétique d’écriture et l’efficacité des réseaux de diffraction (SRG). Ce travail permet ainsi de déterminer une zone optimale de Tg pour l’inscription de SRG. Ces nouvelles connaissances mèneront à la conception plus rationnelle de nouveaux verres moléculaires, pouvant s’étendre à d’autres matériaux amorphes. / Amorphous molecular materials, also known as molecular glasses, are small organic molecules capable of being organized in a disordered manner. In addition to sharing some of the useful properties of polymers, they offer additional advantages because they are isomolecular species for which synthesis, purification and processing are facilitated by a relatively low viscosity. However, the usually demanding preparation conditions of these materials and their limited functional lifetime due to their tendency to relax to the crystalline state remain obstacles to their use for certain applications, e.g. opto-electronics, nanolithography, pharmaceuticals. The development of strategies to facilitate the preparation of the vitreous phase and avoid its crystallization is therefore essential for the design of functional amorphous molecular materials. The main objective of this thesis is to establish relationships between the molecular structure of molecular glasses and their properties. To achieve it, various libraries of model compounds, analogues of triazine derivatives that have demonstrated excellent glass-forming ability, are used to i) determine the influence of the nature and the position of the groups on the triazine; ii) explore the influence of hydrogen (H) bonds on the properties of glasses when their structure includes functional groups known to facilitate crystallization and when their preparation conditions are similar to those used in industry; and iii) exploit the amorphous phase in order to study the photoresponsiveness of azobenzenes (azo) in order to optimize their use in different applications. The influence of the various substituent groups on the triazine (headgroup, ancillary and linkers) on the glass-forming ability (GFA), the kinetic glass stability (GS) and the glass transition temperature (Tg) of the compounds is first studied. A classification system based on differential scanning calorimetry (DSC) and variable temperature infrared spectroscopy (IR) measurements combined to chemometrics analyses facilitate the rationalization of the roles played by each group. The impact of the H-bonds, the energy of the rotation barrier, and the steric hindrance of the groups is determined, leading to the conclusion that the headgroup is the most influential group and that the presence of H-bonds is not essential to the GFA, but important to obtain a high Tg. The influence of the H-bonds on the properties of glasses approaching those exploited in industry is then explored. Variable temperature IR spectroscopy measurements, DSC studies, and single crystal structure resolution have led to the conclusion that H-bonds impede the crystallization of the compounds even though they are simultaneously functionalized with moieties that promote crystallization (π-π stacking between fluorinated and non-fluorinated stilbene groups). In addition, three similar compounds functionalized with a headgroup presenting a decreasing capability to establish H-bonds (donor, acceptor, none) were vapor-deposited (PVD), a technique used, among others, in the opto-electronic industry, to evaluate their capability to form ultrastable glasses. These PVD glasses all show properties that are similar to those previously reported for ultrastable glasses, including higher density and anisotropy, and are all more kinetically stable than glasses prepared by cooling from the viscous state. However, the PVD glasses prepared with a H-bond donor headgroup are less stable than the others by at least an order of magnitude, suggesting that H-bonds limit the level of kinetic stability achievable by PVD. Finally, a triazine molecular glass functionalized with an azo group is used to study, from a molecular point of view, the perturbations caused by the photoisomerization of the azo. A new IR spectroscopy method was developed to observe a molecular environment gradient along the molecule during photoisomerization, making it possible to support certain hypotheses concerning the resulting macroscopic transport of the material. Triazine-based molecular glass blends are also used as an ideal platform for decoupling the influence of Tg and azo content on the azo photo-orientation, but also on the inscription kinetics and the diffraction efficiency of surface relief gratings (SRGs). This work enables the determination of an optimal Tg range for the inscription of SRGs. Altogether, these new insights will lead to a more rational design of new molecular glasses, which can extend to other amorphous molecular materials.