This master’s thesis deals with measuring and evaluation of wetting for samples of different surface finishes, using a test coupon developed in cooperation with firm Gatema. It deals with surface finishes ENIG and immersion tin. For these samples deals with quality monitoring and periodic testing of these surface finishes. The solder using for tests is SAC305. Test methods are used for simulation of reflow soldering and wave soldering.

Magnetické nanočástice a nanostrukturované materiály jsou velkým příslibem v mnoha oblastech, včetně biomedicíny, sanace životního prostředí nebo získávání energie. Proto neustále roste zájem o výzkum jejich jedinečných vlastností a vývoj uskutečnitelných výrobních postupů. Tato práce se zabývá metodou samouspořádávání, spočívající v povrchové precipitaci tenkých vrstev, za účelem výroby epitaxních polí nanoostrůvků ze slitiny FeRh na různých monokrystalických substrátech. Při tomto výrobním postupu zůstává zachována metamagnetická fázová přeměna nanoostrůvků. Morfologie a magnetické vlastnosti samouspořádaných nanomagnetů z FeRh jsou charakterizovány kombinací experimentálních technik a modelování, přičemž bylo zjištěno, že jejich rovnovážné tvary a magnetické uspořádání jsou navzájem propojeny. Kromě toho je navržena cesta pro získání volných nanočástic, která by mohla potenciálně umožnit využití metamagnetických nanostruktur v buněčných kulturách a biomedicíně obecně. Za tímto účelem jsou nanoostrůvky FeRh uvolňovány ze substrátu chemickým leptáním. Chování nanočástic a jejich reakce na teplotu a magnetické pole jsou studovány v kapalném prostředí. Metamagnetické vlastnosti separovaných nanočástic jsou charakterizovány pomocí vibrační magnetometrie.

Les surfaces texturées sont devenues, ces dernières années, des substrats de choix pour de nombreuses applications. En effet, la texturation des surfaces, de l'échelle nanométrique à l'échelle microscopique, permet d'accroître les propriétés d'adhérence ou de renforcer la résistance mécanique intrinsèque. Dans ce travail de thèse nous proposons une étude sur l'influence des textures chimiques sur le comportement tribologique, adhésif et sur la mouillabilité des substrats. Dans le premier chapitre, on propose une stratégie de micro-texturation des surfaces basées sur la technique de microcontact-printing et le greffage de chaînes de polymères de géométries/formes contrôlées. En outre, on a notamment étudié de manière approfondie la mouillabilité des surfaces texturées afin de comprendre les effets de diminution de taille des textures sur le comportement adhésif. Dans les expériences d'adhésion et frottement, un dispositif de type JKR (pour Johnson, Kendall et Roberts), une machine de frottement et une FFM ont été utilisés permettant d'observer le contact entre une sphère élastique et une pointe rigide avec un plan texturé tout en contrôlant la force entre les surfaces. En outre l'utilisation de ces différentes approches ne nous a pas finalement donné des explications satisfaisantes sur les mécanismes agissant sur les phénomènes interfaciaux. De ce fait, l'utilisation du démouillage de films minces de PS et de PDMS sur des surfaces texturées nous as permis de suivre l'évolution de l'instabilité du bourrelet à l'interface. Enfin, dans le dernier chapitre, nous avons étudier les différents aspects prédominants des phénomènes interfaciaux sur des surfaces homogènes / Micro and Nanoscale surface patterns are considered as potential templates and building blocks for Micro/nanotechnology. As for materials in general, these micro /nano-scale surface structures have been of increasing research interest in recent years, due to their unique properties. They are expected to exhibit novel and significantly improved physical, chemical, mechanical and other properties, as well as to offer opportunities for manifestation of new phenomena and processes. In the present PhD work, we propose a multiple scale analysis of the adhesion, friction and wetting behaviors for different patterned interfaces. In a first chapter, we developed a general methodology to design well-defined surfaces combining micro-contact printing (µCP), self-assembled monolayers (SAMs) and polymer grafting techniques. Then we study the wettability of a patterned solid surface. Where, the stick-slip regime, and the effect of the patterning at the mesoscale was investigated. Furthermore, we concentrate on the dependence of adhesion and friction between a polymer and a rigid tip on the composition of the patterned substrates using a JKR, FFM and friction machines. Intriguingly, the uses of these approaches did not provide us with a clear answer to our bewilderment. Therefore, in the third chapter, we adopted the approach of the dewetting of thin polymer film on top of patterned surfaces. We study the impact of the solid/liquid boundary condition on the evolution of the rim instability during the course of dewetting. The last chapter details the investigation of the predominant aspect between the chemistry introduced on the surface and the mechanical proprieties of the substrate

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Nanostructured materials play a vital role in almost all aspects of science and technology in the 21st century. The materials include nanoparticles, nanofilms, biological membranes etc. whose physicochemical properties are size-dependent. Thin films have wide range of applications in various branches of science. One of the efficient methods to form miniaturized structures for device applications is to fabricate nanostructured films on different substrates. Surfactant assembly on metallic and non-metallic surfaces based on self assembly and Langmuir-Blodgett technique offers a unique way to form thin films at molecular levels. The process of formation of unimolecular assemblies gives the flexibility of tuning the properties of underlying substrates for various applications including wetting characteristics, lubrication, passivation, mimicking biological phenomena etc. Towards this direction, self assembled monolayers (SAMs) of alkanethiols on gold and silver surfaces have been studied comprehensively for the past two decades. The reported literature on short chain length thiol-based monolayers is however, limited since the formation using conventional methods yield poor quality monolayers. The short chain length monolayers are useful in various applications like tribology, layer-by-layer assemblies, biosensors etc. Hence, it is essential to reproducibly form SAMs of various chain lengths and understand their properties. The present study is related to the formation of SAMs of alkanethiols and diselenides on gold and silver surfaces to form ordered and well-oriented monolayers. Monolayers of varying chain lengths (CH3(CH2)nSH where n = 3, 5, 7, 9, 11, 15) have been formed on gold and silver surfaces using different methods, (1) adsorption from neat thiols; (2) adsorption under electrochemical control and (3) adsorption from alcoholic solutions of the thiols. The characteristics features of the SAMs have been followed based on three different aspects, (i) structure and stability of the methylene groups (ii) interfacial characteristics involving the end group and the solvent and (iii) metal-head group interactions. The structure and stability of the monolayers have been followed based on vibrational spectroscopy and electrochemistry under different environment including thermal perturbations. The stability of the SAMs at different temperatures and subsequent changes associated with the orientation / packing has been monitored both in the dry state using reflection absorption infrared spectroscopy (RAIRS) and under electrochemical conditions using cyclic voltammetry and impedance analysis. Monolayers adsorbed from neat thiols show superior quality in terms of stability and structural arrangement. Short chain thiols with n = 3, 5, 7 show substantial stability when the adsorption is carried out from neat thiols. Figure 1 shows the RAIR spectra of hexanethiol SAM on gold adsorbed by three different procedures. Monolayers adsorbed under potential control behave very similar to the monolayers adsorbed from neat thiol as for as stability and structural orientation are concerned. Monolayers prepared using conventional methods of adsorption from alcoholic solutions are of inferior quality in terms of stability and arrangement especially for the short chain lengths. This is likely to be due to the fact that monolayers prepared using conventional methods may have intercalated solvent molecules within the monolayer assembly that degrade the integrity of the SAM leading to poor quality. The blocking characteristics of the monolayers for diffusing redox couple have been followed by determining the heterogeneous electron transfer rate constant using electrochemical techniques. The spectroscopic data and the electrochemical data follow similar trend indicating the superior quality of monolayer adsorbed from neat thiol in terms of stability as compared to conventionally prepared monolayers. Figure 1. RAIR spectra of hexanethiol-SAMs on Au(111) surface at 25C. The monolayers are formed by adsorption (A) from neat thiol (B) under potential control and (C) from alcoholic solution of the thiol. Wavenumber (cm-1) The interfacial characteristics of the monolayers (effect of end group functionality on the solvent properties) have been monitored on the basis of capacitance, contact angle and atomic force microscopy- measurements. Well-organized monolayers behave like good capacitors with relatively low values of double layer capacitance in presence of a liquid electrolyte as compared to the expected values based on known thickness and dielectric constant of the SAMs. This behavior can be explained by invoking the depletion of water density at the methyl terminated SAM-water interface where the solvent properties are different from that of bulk. Variation of one such property, dielectric constant, has been mapped using force measurement based on AFM. Dielectric constant of water changes from the bulk value of 78 to a low value as given in figure 2. This cross-over occurs within a span of 1-3 nm depending on the chain length of the thiol. Of the three procedures used, the ones based on the use of neat thiol and electrochemical adsorption result in well-oriented alkyl chains followed by highly oriented methyl terminal groups. This is responsible for the high hydrophobic nature of the interface and the subsequent observation of interfacial water properties. The SAMs prepared from ethanol fail to show the hydrophobic effects. Hydrophilic monolayers (NH2 terminated monolayers) fail to show depletion of water density at the interface indicating the importance of end group functionality in altering the interfacial characteristics of the monolayer. Figure 2. Spatial variation of dielectric permittivity of water at the hexanethiol SAM - water interface. The SAM is formed on gold (111) surface; (a) from ethanolic solution of the thiol (b) under electrochemical control (c) from neat thiol. The origin on the x-axis is the position of the methyl groups of SAM and the direction towards right side is in to the bulk water. The well-oriented SAMs have been used to follow the adsorption of a biopolymer. Zein protein is a prolamine of maize and is projected to be a biocompatible coating for food products and food containers. Hence, it is essential to prepare impermeable coatings of zein with different surface wetting properties. The adsorption of zein on highly ordered SAMs with hydrophobic or hydrophilic end group functionality has been studied and the orientation of the protein followed using spectroscopy, microscopy and electrochemistry. It is observed that zein shows higher affinity towards hydrophilic than hydrophobic surfaces with small foot print size on the Figure 3. Orientation of zein protein on hydrophilic and hydrophobic SAM as deciphered from the experimental data. hydrophilic surface resulting in large surface coverage. Figure 3 shows the schematics of zein deposits on hydrophilic and hydrophobic SAM surfaces determined based on spectroscopy, quartz crystal microbalance and electrochemical studies. The AFM shows cylindrical, rod-like and disc-like features of zein on hydrophilic surfaces that form the base units for the growth of cylindrical structures of zein. The published literature on the studies on SAMs on silver surfaces reveals that there is no consensus on the structure of the monolayers on silver. This may be due to the difficulty in getting pristine oxide-free surfaces in the case of silver and this is likely to affect the monolayer quality. Hence, it is decided to prepare SAMs of alkanethiols on silver and study their characteristics. Subtle differences between the monolayers adsorbed from neat thiol and from alcoholic solutions of thiols have been observed in terms of stability and permeability. Atomic force microscopic studies illustrate the presence of depletion of water at the SAM-aqueous interface. Diselenide-based monolayers have been formed on gold to understand the head group-substrate interactions on the monolayer properties. The disorder observed on short chain diselenide-based monolayers formed from alcoholic solutions can be eliminated by adsorption from neat compounds as described for the thiols. A preliminary account on the stability of SAMs under hydrodynamic conditions has been given based on rotating disc electrode voltammetry. It is observed that the SAMs get well-ordered when the electrode is rotated at a fast rate leading to the hypothesis that the monolayer assembly gets annealed as a function of the rotation rate. The thesis is planned as follows: Chapter 1 gives general introduction about organic thin films with particular emphasis on self-assembled monolayers on gold and silver, their characteristics in terms of stability, interfacial properties and adsorption behaviour. Chapter 2 deals with the experimental methodologies and schematics used for the preparation and characterization of the monolayers. Chapter 3 is on the contribution of alkyl spacer to the stability of the monolayers studied using spectroscopy and electrochemistry. Chapter 4 deals with the interfacial properties of the SAMs in presence of aqueous medium. In order to emphasize the importance of the terminal functional groups, adsorption of zein has been demonstrated on surfaces of controlled wettablity. Chapter 5 explains the formation and stability of monolayers of short and long chain alkyl diselenides on gold surfaces. Chapter 6 gives the structural and interfacial characteristics of alkanethiol monolayers on silver surfaces. The stability and subsequent changes of alkanethiol monolayers under hydrodynamic conditions has been discussed in the appendix section.(For fig pl refer pdf file.)

Le diamant est un matériau fascinant avec d'exceptionnelles propriétés physiques. Son application à divers domaines reste limitée parce que sa fabrication est difficile et nécessite des substrats et conditions spécifiques. En outre, les dispositifs de diamant tels que les capteurs nécessitent généralement la structuration et l'échelle micro ou nanométrique, et l'inertie chimique du diamant rend ce processus technologique plus difficile que celui des semiconducteurs réguliers. Il s'agit d'un besoin évident de la recherche fondamentale d’explorer de nouvelles façons de fabriquer des nanostructures de diamant, ce qui permet de nouvelles formes de capteurs et dispositifs. Dans ce contexte, le travail présenté est d'une grande importance pour la communauté de diamant et pour le développement futur de la technologie du diamant.Le manuscrit est divisé en huit parties: une introduction; 6 chapitres, une conclusion générale. Dans l'introduction le contexte de l'étude est brièvement présenté avec les deux objectifs. Le premier consistait à étudier la croissance des nanofils de diamant et à trouver des conditions appropriées pour obtenir des nanofils de façon reproductible. Le deuxième objectif était la mise au point du procédé de gravure du diamant avec des particules de catalyseur et de l'optimisation des paramètres du procédé.Le premier chapitre de ce manuscrit présente tout d'abord l'état de l’art en mat ière de propriétés et des technologies de croissance du diamant. Puis, dans le deuxième chapitre, en vue de la croissance des nanofils et des études de gravure de nanostructures utilisées catalyseurs métalliques, la base de l'interaction métal-carbone est présenté.Le chapitre trois contient l'instrumentation et principe de fonctionnement des techniques expérimentales et analytiques utilisées dans cette étude. Le chapitre suivant se concentre sur la recherche de conditions favorables à la croissance des nanofils de diamant, d'abord en étudiant en détail un processus signalé en 2005 qui a conduit à la nucléation des nanocristaux sur des nanotubes de carbone, puis la croissance de nanofils.Les conditions de croissance ont été soigneusement reproduites, sans succès reproductible. Il en est déduit déduit que d'un élément non a contribué à la croissance, comme une contamination du catalyseur. La combinaison avec le fait que le processus publiée en 2005 n'a jamais été reproduite, en dépit de son importance technologique élevé, ce qui suggère que la contamination s'est produite également dans cette oeuvre originale.Puis, à partir de cette première observation, l'effet d'un catalyseur a été étudié, et des résultats intéressants ont été obtenus. Les nanofils ont été obtenus de façon reproductible, mais le point important est que les nanofils à base de silicium sont très faciles à cultiver, et qu'un environnement deCarbone pur était nécessaire d'étudier la croissance de nanofils de carbone. Dans ces conditions, un continuum allant de diamant de gravure pour la croissance du diamant a été obtenue en fonction de l'apport de carbone, très intéressant pour la technologie du diamant. Dans le cinquième chapitre du mécanisme de gravure de diamant par des particules de catalyseur est explorée. La gravure à motifs a été proposée pour la fabrication de nano-ou micro-structures dans le diamant, et il est présenté dans la dernière partie de ce chapitre. Le chapitre 6 présente deux applications intéressantes du processus dedéveloppement. Les premières membranes poreuses préoccupations utilisés comme bio-capteurs, et les nanotubes de carbone second concerne la base neuro-capteurs.Malgré l'étude infructueuse de la croissance du diamant nanofil, le travail fait des progrès significatifs à la science de la croissance matérielle nanocarbone. Et elle a conduit à l'étude approfondie de gravure diamant, qui est également très important pour la technologie. / One-dimensional structures with nanometre diameters, such as nanotubes and nanowires, have attracted extensive interest in recent years and form new family of materials that have characteristic of low weight with sometimes exceptional mechanical, electrical and thermal properties. Without any change in chemical composition, fundamental properties of bulk materials can be enhanced at the nanometre scale leading to extraordinary nanodevices.Since a few years, nanowires of different semiconducting materials have been grown. To mention few of these, Si, GaN, SnO, SiC and ZnO nanowires were all successfully demonstrated. However, the growth of diamond nanowires has not yet been demonstrated, despite the strong interest for this material. Bulk diamond combines various exceptional properties for a wide range of applications: Chemical inertness, radiation hardness, biocompatibility, high hole/electron mobility (2000/1000 cm2/V/s), high thermal conductivity (22 W/cm/K), wide bandgap (5.5 eV), and wide electric potential window (3.25 eV H-O evolutions).Since about 30 years, the growth of diamond thin film is well controlled either as insulator or as semiconductor with p- and n- type dopants. Fabrication of 25x25 mm2 monocrystalline diamond wafer has already been reported, and two inches wafers are expected in a couple of years demonstrating the growing interest for this material. Among present or short-term applications one can mention alpha-particle detectors, solar-blind UV sensors, high voltage electronic devices, bio-sensors and single photon source. The realization of nanowires should improve the performance of some of these devices and also open a range of new high performance applications.The stability of 0D (nanocrystals) and 1D (nanowires) diamond nanostructures has been extensively studied using ab initio modelling and indicates that for specific crystallographic orientations clusters of nanometric size are thermodynamically stable. One experimental indication for diamond nanowire growth has been published by Sun et al. in 2005, based on nanocrystal nucleation and growth on carbon nanotubes followed by 1D growth. This particular nucleation process on carbon nanotube has furthermore been explained theoretically in 2009.Based on these experimental and theoretical results, the first objective of this thesis was to explore the growth of diamond nanowire and find suitable conditions to obtain nanowires in a reproducible way. A wide range of process conditions were explored, first without any catalyst, then with metallic catalyst in order to promote Vapour-Liquid-Solid (VLS) growth. Although a comprehensive knowledge regarding carbon nanotube stability in hydrogen atmosphere and diamond-catalyst interaction has been obtained and some carbon nanostuctures were grown, no diamond nanowires were obtained in a reproducible way.However, the careful study of the diamond-catalyst interaction revealed a very interesting etching process that could be very useful for the fabrication of diamond nanostructures. A second objective was then defined: development of the etching process for diamond using transition metal as catalyst and optimization of the process parameters for specific applications such as the fabrication of porous diamond membranes for bio-sensors.

Cette thèse est consacrée à l’étude de films minces ouverts de cristaux liquides colonnaires sur un substrat solide. Ces matériaux, capables de s’auto-organiser en de larges domaines orientés, sont généralement obtenus à partir de molécules discotiques dérivées de colorants aromatiques. Ces différentes caractéristiques, associées à une bonne mobilité de charges, permettent d'envisager l'utilisation des cristaux liquides colonnaires en film mince dans des dispositifs photovoltaïques. Afin de bénéficier de leurs bonnes propriétés optoélectroniques, les cristaux liquides colonnaires doivent être déposés en film mouillant, d’épaisseur inférieure à 100 nm, et leur orientation contrôlée. Ainsi, pour des applications photovoltaïques, un alignement homéotrope (colonnes normales au substrat) est requis. Inversement, l’orientation planaire uniaxe (colonnes parallèles au substrat), est quant à elle requise pour une utilisation de ces composés dans les polariseurs ou dans les transistors organiques à effet de champ. Dans ce travail, différentes méthodes permettant de contrôler l’alignement de films minces ouverts de cristaux liquides colonnaires ont été développées, permettant d’obtenir aussi bien un ancrage homéotrope par traitement thermique spécifique, qu’un ancrage planaire uniaxe par dépôt préalable d’une couche de téflon. Le contrôle de l’orientation a ainsi permis d’une part de produire un film mince (e ? 50 nm) mouillant en ancrage homéotrope ouvrant la voie vers des cellules solaires organiques efficaces, et d’autre part de déterminer l’ensemble des propriétés optiques (indices complexes anisotropes) de ces matériaux cristallins liquides colonnaires. La dynamique du démouillage et l’état d’équilibre d’un film mince ouvert de cristal liquide colonnaire ont également été étudiés. Les résultats expérimentaux révèlent la formation de gouttelettes anisotropes et la présence d’un film nanométrique lors du démouillage de ce film mince / This thesis deals with columnar liquid crystal studied in the geometry of open supported thin films. Columnar liquid crystals are usually made of disk-shaped molecules derived from aromatic dyes. They are efficient charge transporters with the added capacity to self-assemble in large oriented domains. Consequently, such materials may be used in photovoltaic devices. In order to benefit from their good uniaxial charge mobility, their organization has to be controlled in uniform oriented thin films in the range of thicknesses of typically 100 nm. Homeotropic alignment (columns normal to the interface) is required for solar cells whereas uniaxial planar anchoring (columns parallel to the interface) is needed for applications such as polarizers or organic field effect transistor. Different methods to monitor the alignment in open thin films have been developed in this work, which make possible to achieve either homeotropic anchoring by a specific thermal treatment, or uniaxial planar orientation using a Teflon layer. Based on these orientation skills, a uniform ultra-thin film, free of dewetting and homeotropically oriented, is achieved (down to 50 nm thick) opening the way towards efficient solar cells, and a complete study of the optical properties has been performed (with the determination of the anisotropic complex indices) for different columnar liquid crystals. The dynamics of dewetting and the equilibrium state of a thin supported film have also been investigated. Experimental results show the formation of anisotropic droplets and reveal a nanometric film during dewetting.

Due to the increasing interest in low-cost, lightweight, and wearable technologies, flexible and printed electronics has become an intensive field of research during the last two decades. This research is mainly focused on the development of solution-processed organic materials, the evolution of diverse appropriate printing technologies and the enhancement of electronic device performance. Compared to conventional electronics, printed technologies allow for cheaper and easier processing but much poorer resolution, which results in comparatively large organic field effect transistor (OFET) channel lengths of a few ten microns. Reducing the channel length requires the use of additional methods such as wetting-based and non-printed approaches. The minimisation of the channel length is crucial in order to obtain higher frequencies and increasing currents. Therefore, overcoming the resolution limitation is one of the challenging topics in the field of printed electronics. In this thesis, a new approach for the realisation of fully inkjet-printed small-channel OFETs is investigated. For this purpose, a piezoelectric Drop-on-Demand (DOD) inkjet printer with 10 pl printheads is employed. This approach involves a self-aligned, dewetting-based technique for the reproducible fabrication of source and drain electrodes with homogeneous and well-controllable channel lengths down to 4 μm. For the realisation of these electrodes, a water-based, hydrophobic nanoparticle (NP) dispersion is initially printed and dried at room temperature in order to spontaneously form a thin hydrophobic twin-line of few microns due to the so-called coffee ring effect (CRE). This mechanism is responsible for the migration of the NPs from the center to the edge of the printed line during evaporation. An alcohol-based silver NP ink is subsequently printed on the hydrophobic lines and self-aligned to split into two separated source and drain electrodes. Dispersions with different materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and fluoroplastic NPs, different particle sizes and concentrations are evaluated in order to optimize the twin line deposition and the dewetting of the silver ink. Optimum dispersions are printed, then characterised on untreated polyethylene naphthalate (PEN) foils and oxygen plasma treated dielectrics such as cross-linked poly-4-vinylphenol (c-PVP) and cross-linked polymethyl methacrylate (c-PMMA). To evaluate the influencing parameters on the twin-line deposition, a model is developed for the calculation of the printed rivulet width and the electrode gap, which is determined by the width of the hydrophobic ring. These dimensions are investigated as functions of the printing parameters, NP concentration, line geometry, and wetting properties. Multiple simulations are used to determine the influence of each parameter on the twin-line deposition and calculate the critical channel length, below which the dewetting of the conductive ink on the hydrophobic line is no more possible. Based on the simulation results, the optimum parameters are used to control the gap between the printed source and drain electrodes. The underlying mechanism is finally employed for the realisation of fully inkjet-printed OFETs on plastic substrates with small channel lengths and a bottom gate bottom contact configuration (BGBC). For this purpose, a silver NP ink is used for the electrodes, a PTFE NP dispersion is printed on c-PVP and a small-molecule 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-pentacene) solution is used for the semiconducting layer. Multiple small-channel OFET arrays are furthermore fabricated with a good reproducibility of the channel length and a high yield, which proves the industrial applicability of the proposed approach. / Die Integration kostengünstiger, leichter und tragbarer Technologien gewinnt zunehmend an Interesse. Dies führt kontinuierlich zu einer rasanten Zunahme der Forschungsaktivitäten im Bereich der flexiblen und gedruckten Elektronik. Der Fokus liegt hierbei überwiegend auf der Entwicklung organischer Materialien, Herstellung von geeigneten Druckverfahren und Verbesserung der Leistungsfähigkeit gedruckter elektronischer Bauteile. Ein ausschlaggebender Vorteil der gedruckten gegenüber der konventionellen Elektronik liegt darin, dass sie eine preiswerte und einfache Prozessierung ermöglicht. Die Beeinträchtigung dieser jungen Technologie ist immer noch die schwächere Auflösung, welche zur Erstellung von organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) mit vergleichbar größeren Kanallängen von einigen zehn Mikrometern führt. Die Reduzierung der Kanallänge erfordert die Verwendung zusätzlicher Hilfsmethoden z.B. oberflächenspannungsstrukturiertes Drucken oder “non-printing”-Technologien. Die Minimierung der Kanallänge ist entscheidend, um höhere Frequenzen und Ströme zu erzielen. Daher ist die Optimierung der Auflösung ein wesentlicher Parameter, um die Technologie weiter zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit stellt ein neu entwickeltes Verfahren zur Realisierung von All-Inkjet-gedruckten OFETs mit kleinen Kanallängen dar. Hierbei wird ein Drop- on-Demand (DOD) Inkjet-Drucker mit 10pl-Druckköpfen eingesetzt. Dieses Verfahren basiert auf einem oberflächenspannungsabhängigen Ansatz für die reproduzierbare Erstellung von Source- und Drainelektroden mit homogenen und kontrollierbaren Kanallängen bis 4 μm. Beim Erstellen dieser Elektroden wird zuerst eine wasserbasierte Dispersion mit hydrophoben Nanopartikeln gedruckt und bei Raumtemperatur getrocknet. Während der Trocknungsphase wird der sogenannte Kaffeeringeffekt (CRE) zu Nutze gemacht. So führt der CRE zur Migration der Nanopartikeln vom Zentrum bis zum Rand der gedruckten Struktur. Diese gerichtete Migration bewirkt eine spontane Erstellung einer dünnen hydrophoben Doppellinie mit einer Breite von nur wenigen Mikrometern. In einem weiteren Schritt wird eine alkoholbasierte Silbernanopartikeltinte über die hydrophobe Linie gedruckt. Aufgrund der niedrigen Oberflächenenergie der darunter befindlichen hydrophoben Linie, teilt sich die leitfähige Tinte in zwei voneinander getrennte Strukturen, die zunächst als Source- und Drainelektroden eingesetzt werden. Um dieses Verfahren zu optimieren, werden im Rahmen dieser Arbeit Dispersionen mit verschiedenen hydrophoben Materialien wie Teflon- oder fluoroplastische Nanopartikeln unterschiedlicher Partikelgrößen und Konzentrationen untersucht. Die optimale Dispersion wird darauffolgend auf unbehandelten PEN-Folien und sauerstoffplasmabehandelten Dielektrika wie vernetztem Poly-4-Vinylphenol (c- PVP) und vernetztem Polymethylmethacrylat (c-PMMA) gedruckt und anschließend charakterisiert. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf dieses Verfahren zu evaluieren, wurde ein Modell für die Berechnung der Breiten der gedruckten Struktur und der getrockneten hydrophoben Doppellinie, die den Elektrodenabstand bestimmt, entwickelt. Diese Dimensionen werden in Abhängigkeit verschiedener Druckparameter, Nanopartikelkonzentrationen, Liniengeometrien und Benetzungseigenchaften untersucht. Zunächst werden Simulationen durchgeführt, um den Einfluss von jedem Parameter auf die Doppellinienentstehung zu bestimmen. Dieses Modell ist ebenfalls erforderlich für die Berechnung der kritischen Kanallänge, unter welcher keine Entnetzung der leitfähigen Tinte auf der hydrophoben Linie mehr möglich ist. Die gewonnenen Simulationsergebnisse bzw. die optimalen Parameter werden für die Kontrolle des Abstands zwischen den Source- und Drainelektroden beim Drucken eingesetzt. Das beschriebene Verfahren wird zur Realisierung von All-Inkjet-gedruckten OFETs mit kleinen Kanallängen auf Plastiksubstraten in einer Bottom-Gate-Bottom-Contact-Konfiguration (BGBC) verwendet. Die benutzten Materialien bestehen aus einer Silbernanopartikeltinte für die Source-, Drain- und Gateelektroden, c-PVP für das Dielektrikum und TIPS-Pentacen für den Halbleiter. Multiple OFET-Arrays werden zum Schluss mit hoher Reproduzierbarkeit der Kanallängen und hoher Ausbeute gedruckt, um die industrielle Anwendbarkeit des vorgestellten Verfahren zu zeigen.

Cette étude est dédiée à l'amélioration du design des microréacteurs gaz-liquide. Le terme de microréacteur correspond à des appareils composés de canaux dont les dimensions sont de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de microns. Grâce à la valeur importante du ratio surface/volume, ces appareils constituent une issue prometteuse pour contrôler les réactions rapides fortement exothermiques, souvent rencontrées en chimie fine et pharmaceutique. Dans le cas des systèmes gaz-liquide, on peut citer par exemple les réactions de fluoration, d’hydrogénation ou d’oxydation. Comparés à des appareils conventionnels, les microréacteurs permettent de supprimer le risque d’apparition de points chauds, et d’envisager le fonctionnement dans des conditions plus critiques, par exemple avec des concentrations de réactifs plus élevées. En même temps, la sélectivité peut être augmentée et les coûts opératoires diminués. Ainsi, les technologies de microréacteurs s’inscrivent bien dans les nouveaux challenges auxquels l'industrie chimique est confrontée ; on peut citer en particulier la réduction de la consommation énergétique et la gestion des stocks de produits intermédiaires. Les principaux phénomènes qui doivent être étudiés lors de la conception d’un microréacteur sont le transfert de matière et le transfert thermique. Dans les systèmes diphasiques, ces transferts sont fortement influencés par la nature des écoulements, et l'hydrodynamique joue donc un rôle central. Par conséquent, nous avons focalisé notre travail sur l’hydrodynamique de l’écoulement diphasique dans les microcanaux et sur les couplages constatés avec le transfert de masse. Dans ce contexte, nous nous sommes dans un premier temps intéressés aux régimes d’écoulement et aux paramètres contrôlant la transition entre les différents régimes. Au vu des capacités de transfert de matière et à la flexibilité offerte en terme de conditions opératoires, le régime de Taylor semble le plus prometteur pour mettre en œuvre des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. Ce régime d'écoulement est caractérisé par des bulles allongées entourées par un film liquide et séparées les unes des autres par une poche liquide. En plus du fait que ce régime est accessible à partir d’une large gamme de débits gazeux et liquide, l'aire interfaciale développée est assez élevée, et les mouvements de recirculation du liquide induits au sein de chaque poche sont supposés améliorer le transport des molécules entre la zone interfaciale et le liquide. A partir d'une étude de l’hydrodynamique locale d’un écoulement de Taylor, il s’est avéré que la perte de charge et le transfert de matière sont contrôlés par la vitesse des bulles, et la longueur des bulles et des poches. Dans l’étape suivante, nous avons étudié l'influence des paramètres de fonctionnement sur ces caractéristiques de l’écoulement. Une première phase de notre travail expérimental a porté sur la formation des bulles et des poches et la mesure des champs de vitesse de la phase liquide dans des microcanaux de section rectangulaire. Nous avons également pris en compte le phénomène de démouillage, qui joue un rôle important au niveau de la perte de charge et du transfert de matière. Des mesures du coefficient de transfert de matière (kLa) ont été réalisées tandis que l'écoulement associé était enregistré. Les vitesses de bulles, longueurs de bulles et de poches, ainsi que les caractéristiques issues de l’exploitation des champs de vitesse précédemment obtenus, ont été utilisées afin de proposer un modèle modifié pour la prédiction du kLa dans des microcanaux de section rectangulaire. En mettant en évidence l'influence du design du microcanal sur l’hydrodynamique et le transfert de matière, notre travail apporte une contribution importante dans le contrôle en microréacteur des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. De plus, ce travail a permis d'identifier certaines lacunes en termes de connaissance, ce qui devrait pouvoir constituer l'objet de futures recherches. / The present project deals with the improvement of the design of gas-liquid microreactors. The term microreactor characterizes devices composed of channels that have dimensions in the several tens to several hundreds of microns. Due to their increased surface to volume ratios these devices are a promising way to control fast and highly exothermic reactions, often employed in the production of fine chemicals and pharmaceutical compounds. In the case of gas-liquid systems, these are for example direct fluorination, hydrogenation or oxidation reactions. Compared to conventional equipment microreactors offer the possibility to suppress hot spots and to operate hazardous reaction systems at increased reactant concentrations. Thereby selectivity may be increased and operating costs decreased. In this manner microreaction technology well fits in the challenges the chemical industry is continuously confronted to, which are amongst others the reduction of energy consumption and better feedstock utilization. The main topics which have to be considered with respect to the design of gasliquid μ-reactors are heat and mass transfer. In two phase systems both are strongly influenced by the nature of the flow and thus hydrodynamics play a central role. Consequently we focused our work on the hydrodynamics of the two-phase flow in microchannels and the description of the inter-linkage to gas-liquid mass transfer. In this context we were initially concerned with the topic of gas-liquid flow regimes and the main parameters prescribing flow pattern transitions. From a comparison of flow patterns with respect to their mass transfer capacity, as well as the flexibility offered with respect to operating conditions, the Taylor flow pattern appears to be the most promising flow characteristic for performing fast, highly exothermic and mass transfer limited reactions. This flow pattern is characterized by elongated bubbles surrounded by a liquid film and separated from each other by liquid slugs. In addition to the fact that this flow regime is accessible within a large range of gas and liquid flow rates, and has a relatively high specific interfacial area, Taylor flow features a recirculation motion within the liquid slugs, which is generally assumed to increase molecular transport between the gas-liquid interface and the bulk of the liquid phase. From a closer look on the local hydrodynamics of Taylor flow, including the fundamentals of bubble transport and the description of the recirculation flow within the liquid phase, it turned out that two-phase pressure drop and gas-liquid mass transfer are governed by the bubble velocity, bubble lengths and slug lengths. In the following step we have dealt with the prediction of these key hydrodynamic parameters. In this connection the first part of our experimental study was concerned with the investigation of the formation of bubbles and slugs and the characterization of the liquid phase velocity field in microchannels of rectangular cross-section. In addition we also addressed the phenomenon of film dewetting, which plays an important rôle concerning pressure drop and mass-transfer in Taylor flow. In the second part we focused on the prediction of gas-liquid mass transfer in Taylor flow. Measurements of the volumetric liquid side mass transfer coefficient (kLa-value) were conducted and the related two-phase flow was recorded. The measured bubble velocities, bubble lengths and slug lengths, as well as the findings previously obtained from the characterization of the velocity field were used to set-up a modified model for the prediction of kLa-values in μ-channels of rectangular cross-section. Describing the interaction of channel design hydrodynamics and mass transfer our work thus provides an important contribution towards the control of the operation of fast, highly exothermic and mass transfer limited gas-liquid reactions in microchannels. In addition it enabled us to identify gaps of knowledge, whose investigation should be items of further research.

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