FR3011752A1

FR3011752A1 - Installation et procede a rendement ameliore de formation d'un film compact de particules a la surface d'un liquide porteur

Info

Publication number: FR3011752A1
Application number: FR1359922A
Authority: FR
Inventors: Olivier Dellea; Pascal Fugier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-17
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: FR3011752B1; EP3038761B1; US9962729B2; US20160236237A1; WO2015052275A1; EP3038761A1

Abstract

L'invention concerne une installation (1) pour la formation d'un film compact de particules (4) à la surface d'un liquide porteur (16), comportant une zone (11) formant réservoir de liquide porteur, une rampe inclinée (12), une zone d'accumulation et de transfert de particules (14), des moyens (18) de mise en mouvement du liquide porteur, des moyens de dispense (2) des particules (4) en solution, configurés pour dispenser les particules à la surface du liquide porteur dans la zone formant réservoir, et une structure (50) pour la déflection des particules configurée pour favoriser, selon une direction transversale (31) de l'installation, un étalement des particules (4) en sortie de la zone formant réservoir (11). Selon l'invention, la structure (50) pour la déflection des particules est perméable au liquide porteur (16).

Description

INSTALLATION ET PROCEDE A RENDEMENT AMELIORE DE FORMATION D'UN FILM COMPACT DE PARTICULES A LA SURFACE D'UN LIQUIDE PORTEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine des installations et des procédés pour la formation d'un film compact de particules à la surface d'un liquide porteur, le film compact obtenu étant généralement destiné à être déposé sur un substrat, de préférence en défilement. Plus précisément, l'invention concerne la formation d'un film compact de particules, également dit film de particules ordonnées, de préférence du type monocouche et dont la taille des particules peut être comprise entre quelques nanomètres et plusieurs centaines de micromètres. Les particules, de préférence de forme sphérique, peuvent par exemple être des particules de silice. L'invention se rapporte à la formation de films compacts simples, ou bien à la formation de films compacts structurés, cette structuration visant à mettre le film en forme afin par exemple d'y intégrer d'autres particules, et/ou des objets. Une autre possibilité consiste à prévoir des zones évidées de particules, entourées par le film qui reste ordonné. Dans le cas de 2 0 l'intégration d'objets dans le film, il s'agit en particulier de fabriquer des dispositifs à caractère hybride, comme par exemple des capteurs. A titre indicatif, un dispositif hybride associe par définition sur un même substrat des objets ayant diverses fonctions, par exemple électroniques, optiques, électro-optiques, piézo-électriques, thermoélectriques, mécaniques, etc. Les objets à intégrer au film de particules sont par exemple : 25 - des composants électroniques actifs, tels que des transistors, microprocesseurs, circuits intégrés, etc. ; - des composants passifs de l'électronique, comme des résistances, capacités, diodes, photodiodes, bobines, pistes conductrices, préformes de soudure, etc. ; - des composants optiques, tels que des lentilles, microlentilles, réseaux de 30 diffraction, filtres, etc. ; - des piles, micro-piles, micro-batteries, photo-détecteurs, cellules solaires, système RFID, etc. ; - des particules ou agrégats nano ou micrométriques, actifs ou passifs, par exemple du type oxydes, polymères, métaux, semi-conducteurs, Janus (particules ayant deux faces de natures ou propriétés différentes), nanotubes, etc. Plus généralement, l'invention présente des applications dans de nombreux domaines comme les piles à combustible, l'optique, la photonique, le revêtement de polymère, les puces, les MEMs, l'électronique organique et photovoltaïque, les échangeurs de chaleur, les capteurs, la tribologie, etc. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De nombreuses techniques sont connues pour la formation et le dépôt de films compacts de particules sur un substrat, ce dernier étant ou non en défilement, et de nature souple ou rigide. De manière générale, il est prévu une zone d'accumulation et de transfert alimentée en particules, qui flottent sur un liquide porteur contenu dans cette même zone. Les particules ordonnées dans la zone de transfert, formant une monocouche de particules dite film de faible épaisseur, sont poussées par l'arrivée d'autres particules ainsi que par la circulation du liquide porteur, vers une sortie de cette zone par laquelle elles atteignent le substrat. Elles se déposent ensuite sur le substrat en défilement. Pour ce faire, un pont capillaire assure habituellement la liaison entre le substrat et le liquide porteur contenu dans la zone d'accumulation et de transfert. 2 0 En régime normal de fonctionnement de l'installation, dans la zone d'accumulation et de transfert, les particules sont maintenues ordonnées grâce notamment à la pression exercée en amont par les particules en déplacement destinées à rejoindre ultérieurement cette zone de transfert. La cohésion de l'ordonnancement des particules est en outre assurée par des forces faibles de type capillaire ou électrostatique. Lorsque la zone de 25 transfert de particules est reliée vers l'amont à une rampe inclinée sur laquelle défilent les particules issues d'un dispositif de dispense, ce sont ces mêmes particules présentes sur la rampe inclinée qui exercent une pression sur les particules contenues dans la zone de transfert, et qui permettent donc, en coopération avec les forces capillaires de proximité, de conserver l'ordonnancement des particules dans cette zone, jusqu'au dépôt sur le substrat, par capillarité 3 0 ou contact direct. A cet égard, il est noté que la technique d'ordonnancement des particules par compression est notamment connue du document Lucio Isa et al., "Particle Lithography from Colloidal Self-Assembly at Liquid_Liquid Interfaces", acsnano, VOL. 4 - NO. 10 - 5665-5670 - 2010, du document Markus Retsch, « Fabrication of Large-Area, Transferable Colloidal Monolayers Utilizing Self-Assembly at the Air/Water Interface", Macromol. Chem. Phys. 2009, 210, 230-241, ou encore du document Maria Bardosova, « The Langmuir-Blodgett Approach to Making Colloidal Photonic Crystals from Silica Spheres", Adv. Mater. 2010, 22, 3104-3124. La technique par compression à l'aide d'une rampe inclinée est quant à elle décrite plus précisément dans le document CA 2 695 449. Avec cette technique particulière, c'est l'énergie cinétique associée aux particules en mouvement sur la rampe qui permet à celles-ci de s'ordonner automatiquement sur cette même rampe, lorsqu'elles impactent le front de particules, lui aussi situé sur la rampe inclinée. L'ordonnancement est donc établi sur la rampe, puis conservé lorsque les particules ordonnées pénètrent dans la zone de transfert, grâce à l'alimentation en continu des particules venant impacter le front. L'énergie cinétique nécessaire à l'auto-ordonnancement des particules est ici amenée par la rampe inclinée transportant le liquide porteur et les particules. A cet égard, il est noté que les particules sont généralement en solution dans le dispositif de dispense. Ce dernier est agencé pour délivrer les particules à la surface du liquide porteur, au niveau d'une zone formant réservoir placée en amont de la rampe inclinée et communiquant avec l'entrée de celle-ci. En fonction de la composition de la solution et de celle du liquide porteur, 2 0 ceux-ci peuvent être non miscibles ou très peu miscibles, et leurs tensions de surface respectives peuvent également différer. C'est notamment le cas lorsque la solution contient un ou plusieurs solvants du type chloroforme ou n-butanol, dont les tensions de surface respectives sont de 26,67 et 24,93 mN/m à 25°C, et que le liquide porteur est de l'eau déionisée avec une tension de surface de l'ordre de 72 mN/m à la même température. 2 5 Dans ce cas, lorsque la solution contenant les particules est dispensée à la surface du liquide porteur présent dans la zone formant réservoir, il survient alors des gradients de tension interfaciale induisant des instabilités hydrodynamiques dont les conséquences sont de fortes variations de l'épaisseur du liquide. Les mouvements de convection observés dans ces conditions sont connus sous le nom d'instabilités de Marangoni. Ces effets néfastes sont 30 d'ailleurs accentués lorsque la zone formant réservoir est équipée d'un déflecteur de particules agencé en travers de cette zone, et dont la fonction est d'assurer un étalement transversal des particules en sortie de la zone formant réservoir.

Ce phénomène d'instabilités de Marangoni, non linéaire, peut être à l'origine d'un démouillage de la rampe inclinée. En effet, en particulier lorsque le débit d'injection de la solution contenant les particules dépasse un certain seuil, des zones sèches peuvent apparaitre sur la rampe inclinée, pourtant censée être mouillée entièrement par le mélange de liquide porteur et de la solution. Ces zones sèches, directement provoquées par les instabilités hydrodynamiques observées en amont dans la zone formant réservoir, perturbent donc de façon durable l'écoulement laminaire du liquide porteur sur la rampe inclinée. En conséquence, l'organisation des particules dans la zone d'accumulation et de transfert peut être profondément altérée.

Ce phénomène est d'autant plus accentué que le débit de particules en solution est élevé. Ce constat est problématique car l'augmentation du débit de particules permet l'accélération de la vitesse de tirage du substrat, et donc une hausse de rendement. Aussi, il existe un besoin d'optimisation des installations et des procédés décrits ci-dessus, en particulier pour le dépôt à vitesses élevées de films compacts sur substrats en défilement.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de répondre au moins partiellement au besoin identifié ci-dessus. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet une installation pour la formation d'un film compact de particules à la surface d'un liquide porteur, l'installation comportant : 2 0 - une zone formant réservoir de liquide porteur ; - une rampe inclinée située dans le prolongement de la zone formant réservoir et sur laquelle les particules sont destinées à circuler par gravité ; - une zone d'accumulation et de transfert de particules située dans le prolongement de la rampe inclinée ; 2 5 - des moyens de mise en mouvement du liquide porteur destinés à le faire circuler de la zone formant réservoir à la zone d'accumulation et de transfert de particules, en passant par la rampe inclinée ; - des moyens de dispense des particules en solution, configurés pour dispenser lesdites particules à la surface du liquide porteur dans la zone formant réservoir ; et 3 0 - une structure pour la déflection des particules, traversant la surface du liquide porteur dans la zone formant réservoir, ladite structure étant agencée en aval desdits moyens de dispense des particules selon une direction principale d'écoulement du liquide porteur de la zone formant réservoir à la zone d'accumulation et de transfert de particules, en passant par la rampe inclinée, ladite structure étant configurée pour favoriser, selon une direction transversale de l'installation parallèle à la surface du liquide porteur et orthogonale à une direction principale d'écoulement, un étalement des particules en sortie de la zone formant réservoir. Selon l'invention, ladite structure pour la déflection des particules est perméable au liquide porteur. Aussi, la structure spécifique à l'invention permet de diviser, répartir et ralentir la progression des perturbations de Marangoni. Cela permet avantageusement d'augmenter le débit de particules et d'accélérer la vitesse de tirage du substrat, tout en limitant les risques de défaut d'ordonnancement de particules au sein de la zone d'accumulation et de transfert. En d'autres termes, l'installation selon l'invention permet de supprimer/limiter les risques de zones sèches sur la rampe inclinée, tout en fonctionnant avec des rendements élevés. L'invention comporte au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison. Ladite structure pour la déflection des particules présente, en alternance, le long de celle-ci entre une première extrémité et une seconde extrémité opposée dans ladite direction transversale, des obstacles et des espaces permettant le passage du liquide porteur. Lesdits obstacles sont des tiges, par exemple des tiges de vis vissées sur une 2 0 plaque de support. Les obstacles pourraient néanmoins présenter toute autre forme générale, sans sortir du cadre de l'invention. Il pourrait par exemple s'agir d'une forme générale conique, pyramidale ou tubulaire. Lesdits obstacles sont implantés avec un pas d'environ 1 à 10 mm, de préférence 5 mm, et la structure pour la déflection des particules est réalisée de façon à 25 présenter, à la surface du liquide porteur, un taux d'ouverture de l'ordre de 0,05 à 0,9, de préférence proche de 0,5. Les obstacles sont réalisés en matériau hydrophobe, superhydrophobe ou hydrophile, par exemple en matériau métallique. Les obstacles présentent une largeur comprise entre 1 et 9,5 mm. 30 La structure pour la déflection des particules s'étend tout le long du liquide porteur, selon ladite direction transversale de l'installation. La structure pour la déflection des particules dispose d'une forme générale définissant au moins une partie convexe vue depuis une sortie de ladite zone formant réservoir.

C'est de préférence à proximité de cette partie convexe que sont agencés les moyens de dispense de particules à la surface du liquide porteur. La structure pour la déflection des particules dispose d'une forme générale parabolique, circulaire, en V ou sinusoïdale.

La zone formant réservoir comporte, en aval de la structure pour la déflection des particules, au moins un compartiment délimité par une paroi perméable au liquide porteur dont la surface est traversée par cette même paroi. Cela permet de freiner la propagation des instabilités hydrodynamiques. Ladite paroi est réalisée par l'alternance d'obstacles et d'espaces permettant le passage du liquide porteur. Cette réalisation est donc sensiblement identique à celle de la structure pour la déflection des particules. Aussi, toutes les caractéristiques optionnelles décrites en relation avec cette structure sont également applicables aux parois des compartiments. Néanmoins, il est noté que les particules flottant à la surface du liquide porteur sont destinées à traverser ces parois pour pénétrer temporairement à l'intérieur des compartiments, alors qu'elles ne sont pas destinées à traverser la structure de déflection en aval de laquelle ces particules sont dispensées. Chaque compartiment présente, à la surface du liquide porteur, une superficie comprise entre 0,5 et plusieurs centaines de cm', par exemple 1000 cm', et plus préférentiellement entre 2 et 500 cm'. 2 0 L'installation comporte un substrat pour le dépôt du film compact de particules, ledit substrat étant en regard d'une sortie de particules de ladite zone d'accumulation et de transfert. Elle est configurée pour assurer un dépôt du film compact de particules sur un substrat en défilement, ledit substrat étant souple ou rigide. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci comporte en outre, agencés au 25 niveau d'une jonction entre la zone formant réservoir et la rampe inclinée, des moyens d'élévation du niveau de liquide porteur par effet capillaire. En d'autres termes, l'invention prévoit des moyens permettant de surélever localement le niveau de liquide porteur juste avant son entrée sur la rampe inclinée, et ce par effet capillaire compensant le poids de ce liquide porteur. Cette technique permet d'atténuer le phénomène de variation de l'épaisseur du liquide, 30 résultant des gradients de tension interfaciale entre le liquide porteur et la solution comportant les particules. En atténuant les conséquences de ces instabilités hydrodynamiques à l'entrée de la rampe inclinée, les risques de démouillage de celle-ci sont largement réduits. En d'autres termes, le but des moyens d'élévation est d'augmenter le niveau du liquide porteur et donc éloigner les instabilités du fond, et modifier ainsi les lignes de flux du liquide porteur afin de favoriser l'étalement dans la largeur. Cela permet avantageusement d'augmenter encore le débit de particules et d'accélérer la vitesse de tirage du substrat, tout en limitant les risques de défaut d'ordonnancement de particules au sein de la zone d'accumulation et de transfert. En d'autres termes, cela permet de supprimer/limiter les zones sèches sur la rampe inclinée, tout en fonctionnant avec des rendements élevés. L'invention comporte également au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.

Lesdits moyens d'élévation du niveau de liquide porteur par effet capillaire sont constitués d'une barrière de plots espacés les uns des autres. Ces moyens d'élévation peuvent être complétés par une seconde barrière de plot décalée par rapport à la première, selon la direction principale d'écoulement du liquide. Les moyens d'élévation peuvent être positionnés par suspension à une pièce, elle-même émergée du flux, via un peigne par exemple. Aussi, les plots ne touchent pas forcément le fond de la zone formant réservoir. Lesdits plots sont implantés avec un pas d'environ 2 à 4 mm. Ils sont de forme générale conique, pyramidale ou tubulaire. D'autres formes peuvent néanmoins être envisagées, notamment une forme cylindrique, avec la section pouvant être carrée, triangulaire, polygonale 2 0 ou encore une section variable sur la hauteur du plot. Les plots sont réalisés en matériau hydrophobe, par exemple en silicone. Les plots présentent un rapport entre leur hauteur et leur largeur maximale compris entre 1 et 30. Les plots présentent une base de largeur d'environ 2 mm et une hauteur 2 5 comprise entre 2 et 3 mm. Lesdits moyens d'élévation du niveau de liquide porteur par effet capillaire s'étendent tout le long du liquide porteur, selon la direction transversale de l'installation parallèle à la surface du liquide porteur et orthogonale à la direction principale d'écoulement du liquide porteur de la zone formant réservoir à la zone d'accumulation et de transfert de 30 particules, en passant par la rampe inclinée. L'installation comporte un substrat pour le dépôt du film compact de particules, ledit substrat étant en regard d'une sortie de particules de ladite zone d'accumulation et de transfert.

L'installation est configurée pour assurer un dépôt du film compact de particules sur un substrat en défilement, ledit substrat étant souple ou rigide. L'invention se rapporte également à un procédé de formation d'un film compact de particules à la surface d'un liquide porteur, à l'aide d'une l'installation telle que décrite ci-dessus, le procédé comprenant une étape de mise en mouvement du liquide porteur de manière à le faire circuler de la zone formant réservoir à la zone d'accumulation et de transfert de particules, en passant par la rampe inclinée, ainsi qu'une étape de dispense des particules en solution à la surface du liquide porteur en mouvement, dans la zone formant réservoir, ladite étape de mise en mouvement du liquide porteur étant réalisée de manière à faire circuler le liquide porteur à travers ladite structure perméable pour la déflection des particules, agencée en amont desdits moyens de dispense de ces mêmes particules. De préférence, le procédé est mis en oeuvre pour la formation d'un film compact de particules ayant une grande dimension comprise entre 1 nm et 500 um. à titre d'exemples illustratifs, les particules/colloïdes employées peuvent être du type particules d'oxydes (Si02, ZnO, A1203, etc.), polymères (latex, PMMA, polystyrène, etc.) ou métalliques (Au, Cu, alliages, etc.). Même si la gamme de dimension des particules est préférentiellement comprise entre 1 nm et 500 um, il est également possible d'utiliser des fibres de verre, par exemple de diamètre de 10 um, et de longueurs allant de 10 à 4000 um, pourvu qu'elle soit inférieure à la distance séparant deux plots. D'autres particules du type silicium ou feuillets de 2 0 graphène sont également envisageables, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, le liquide porteur est de l'eau déionisée, et lesdites particules se trouvent en solution dans un solvant ayant une tension de surface inférieure à celle de l'eau déionisée, ledit solvant étant de préférence du n-butanol, méthanol, chloroforme, ou un mélange d'au moins deux d'entre eux. 25 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 montre une installation selon un mode de réalisation préféré de 3 0 la présente invention, en coupe schématique prise le long de la ligne 1-1 de la figure 2 ; - la figure 2 représente une vue schématique de dessus de l'installation montrée sur la figure 1; - la figure 3 représente une vue en perspective d'un exemple de réalisation de la structure pour la déflection des particules, équipant l'installation montrée sur les figures précédentes ; - la figure 4 montre une vue de face agrandie d'une partie de la structure représentée sur la figure précédente ; - la figure 5 montre une vue schématique de face d'un autre exemple de réalisation de la structure pour la déflection des particules, équipant l'installation montrée sur les figures 1 et 2 ; - la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3, avec la zone formant réservoir réalisée de façon multi-compartimentée ; - la figure 7 est une vue de dessus de celle montrée sur la figure 6 ; - la figure 8 est une vue agrandie de côté montrant la barrière de plots espacés équipant l'installation montrée sur les figures 1 et 2 ; - la figure 9 est une vue de face de celle montrée sur la figure 8 ; et - les figures 10a à 11b représentent schématiquement différentes étapes d'un procédé de formation et de dépôt d'un film compact de particules selon un mode de réalisation préféré de l'invention, mis en oeuvre à l'aide de l'installation montrée sur les figures précédentes. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS 2 0 En référence tout d'abord aux figures 1 et 2, il est représenté une installation 1 pour la formation d'un film compact de particules et son transfert sur un substrat, de préférence en défilement. L'installation 1 comporte des moyens 2 de dispense des particules 4 en solution. Ces particules ont une taille qui peut être comprise entre quelques nanomètres et 25 plusieurs centaines de micromètres. Les particules, de préférence de forme sphérique, peuvent par exemple être des particules de silice. D'autres particules d'intérêt peuvent être faites de métal ou d'oxyde de métal comme le Platine, le Ti02, de polymère comme le polystyrène ou le PM MA, de carbone, etc. Plus précisément, dans le mode de réalisation préféré, les particules sont des 30 sphères de silice de diamètre compris entre 1 nm et 500 um, et encore plus préférentiellement de l'ordre de 1µm. Ces particules 4 sont stockées en solution dans les moyens 2. La proportion du milieu est d'environ 7 g de particules pour 200 ml de solution, ici du type butanol ou chloroforme. Naturellement, pour des raisons de clarté, les particules 4 ont été représentées avec un diamètre supérieur à leur diamètre réel. Les moyens de dispense 2 présentent une buse d'injection commandable, d'environ 500 um de diamètre.

L'installation comporte également un convoyeur liquide 10, recevant un liquide porteur 16 sur lequel les particules 4 sont destinées à flotter. Le convoyeur 10 intègre une zone formant réservoir 11, une rampe inclinée 12 de circulation des particules, et une zone 14 d'accumulation et de transfert des particules. La rampe 12 se situe dans le prolongement du réservoir 11, c'est-à-dire que son entrée est sensiblement confondue avec la sortie du réservoir.

La zone d'accumulation et de transfert 14 se situe quant à elle dans le prolongement de la rampe inclinée, c'est-à-dire que son entrée est sensiblement confondue avec la sortie de la rampe, sur laquelle les particules sont destinées à circuler par gravité. Aussi, la rampe inclinée 12 établit une rupture de niveau entre le réservoir 11 et la zone d'accumulation et de transfert 14. Cette dernière présente un fond sensiblement horizontal, ou bien une légère inclinaison de façon à favoriser la vidange de l'installation, le cas échéant. L'extrémité haute de la rampe inclinée 12 est prévue pour recevoir les particules du réservoir 11, préalablement injectées par les moyens de dispense 2. Cette rampe est droite, inclinée d'un angle compris entre 5 et 60°, de préférence entre 10 et 30°, permettant aux particules d'être acheminées vers la zone 14. De plus, le liquide porteur 16 circule sur cette 2 0 rampe 12, jusque dans la zone d'accumulation et de transfert 14. Ce liquide 16 est d'ailleurs mis en mouvement par des moyens appropriés, par exemple une pompe 18. Cette pompe de recirculation 18 assure ainsi une mise en mouvement du liquide 16 de façon à le faire circuler du réservoir 11 à la zone d'accumulation et de transfert 14, en passant par la rampe inclinée 12. Néanmoins, il peut alternativement être envisagé de faire circuler un liquide neuf, via un circuit 2 5 ouvert. Le liquide porteur 16 est de préférence de l'eau déionisée, sur laquelle les particules 4 peuvent flotter. Il peut aussi s'agir d'une association de plusieurs liquides non-miscibles. Pour rappel, les solvants du type chloroforme ou n-butanol présentent des tensions de surface de l'ordre de 26,67 et 24,93 mN/m à 25°C, respectivement, tandis que l'eau déionisée 30 présente une tension de surface de l'ordre de 72 mN/m. Les gradients de tension interfaciale résultant de ces différences de valeurs induisent des instabilités hydrodynamiques, qui se traduisent par des mouvements de convection également connus sous le nom d'instabilités de Marangoni. Les conséquences de ces mouvements de convection sont atténuées par des moyens propres à l'invention, qui seront décrits ci-après. De retour au convoyeur 10, il est noté que l'extrémité basse de la rampe 12 est raccordée à une entrée de la zone d'accumulation et de transfert de particules 14. Cette entrée 22 se situe au niveau d'une ligne d'inflexion 24 matérialisant la jonction entre la surface du liquide porteur présent sur le plan incliné de la rampe 12, et la surface du liquide porteur présent sur la partie horizontale de la zone 14. L'entrée de particules 22 est espacée d'une sortie de particules 26 à l'aide de deux rebords latéraux 28 retenant le liquide porteur 16 dans la zone 14. Ces rebords 28, en regard et à distance l'un de l'autre, s'étendent parallèlement à une direction principale d'écoulement du liquide porteur et des particules dans l'installation, cette direction étant schématisée par la flèche 30 sur les figures 1 et 2. Les rebords 28 s'étendent de préférence sur toute la longueur du convoyeur 10, du réservoir 11 à la zone 14. Ils sont espacés selon une direction transversale 31 de l'installation, parallèle à la surface du liquide 16 et orthogonale à la direction principale d'écoulement 30. Les trois éléments 11, 12, 14 du convoyeur 10 présentent donc chacun la forme d'un couloir ou d'un chemin ouvert à son entrée et à sa sortie, même si d'autres géométries pourraient être adoptées, sans sortir du cadre de l'invention. Le fond de la partie aval de la zone 14 présente un plateau légèrement incliné 2 0 vers l'amont par rapport à la direction horizontale, par exemple d'une valeur de l'ordre de 5 à 10°. C'est l'extrémité aval de ce même plateau, également dénommé « blade », qui définit en partie la sortie des particules 26. L'installation 1 est également pourvue d'un convoyeur de substrat 36, destiné à mettre le substrat 38 en défilement. Ce substrat peut être rigide ou souple. Dans ce dernier 2 5 cas, il peut être mis en mouvement sur un rouleau 40 dont l'axe est parallèle à la sortie 26 de la zone 14, à proximité de laquelle il se situe. En effet, le substrat 38 est destiné à défiler de manière très rapprochée de la sortie 26, afin que les particules atteignant cette sortie puisse être transférées aisément sur ce substrat, via un pont capillaire 42, également dénommé ménisque, qui le relie au liquide porteur 16. Le pont capillaire 42 est assuré entre le liquide porteur 16 qui 3 0 se situe au niveau de la sortie 26, et une partie du substrat 38 épousant le rouleau de guidage / d'entraînement 40. Alternativement, le substrat peut être au contact directement de la zone de transfert, sans sortir du cadre de l'invention. Le pont capillaire mentionné ci-dessus n'est alors plus requis.

A titre informatif, dans le cas où le substrat est rigide et les objets à transférer sont également rigides et ne peuvent s'adapter à une rupture d'angle lors du transfert, il peut être avantageux d'immerger le substrat dans le liquide de la zone d'accumulation et de transfert 14, et d'effectuer le tirage dans cette configuration. Ceci permet de maximiser l'angle formé entre le plan horizontal du liquide de la zone 14, et le plan du substrat. Dans l'exemple montré sur les figures, la largeur du substrat correspond à la largeur de la zone 14 et de sa sortie 26. Il s'agit d'une largeur qui correspond aussi à la largeur maximale du film de particules qu'il est possible de déposer sur le substrat. Cette largeur peut être de l'ordre de 25 à 30 cm. La largeur du substrat sur lequel doivent être déposées les particules peut cependant être inférieure à la largeur de la zone 14. L'installation 1 comporte également une structure 50 pour la déflection des particules 4, cette structure étant agencée au niveau du réservoir 11, en aval des moyens de dispense 2 selon la direction principale d'écoulement 30. La structure de déflection 50 traverse la surface du liquide porteur 16. Elle est configurée pour favoriser, selon la direction transversale 31, un étalement des particules 4 en sortie du réservoir 11. Pour ce faire, la structure 50 s'étend tout le long du liquide porteur selon la direction transversale 31, entre une première et une seconde extrémité opposées selon cette même direction 31. Elle dispose d'une forme générale définissant au moins une partie convexe 50a vue depuis une sortie du réservoir, les moyens de dispense 2 étant agencés juste en aval de 2 0 cette partie convexe. Comme cela est le mieux visible sur la figure 2, la structure 50 dispose d'une forme générale parabolique, avec la partie convexe 50a correspondant à son sommet. Aussi, depuis ce sommet, la structure parabolique 50 s'étend vers l'aval et vers les rebords 28 jusqu'à proximité de la sortie du réservoir, ce qui permet d'étaler les particules 4 selon la direction 31 avant que celles-ci n'atteignent la rampe inclinée 12. Au niveau de la sortie du 25 réservoir 11 alimentant la rampe 12, sans cette structure 50, la densité des particules 4 serait plus importante au centre que sur les bords de ce réservoir 11. L'une des particularités de l'invention réside dans le fait que la structure déflectrice 50 est perméable au liquide porteur. Cette fonction est assurée par une alternance, entre ses première et seconde extrémités, d'obstacles 52 et d'espaces 54 séparant ces obstacles. 30 Les figures 3 et 4 montrent un exemple de réalisation dans lequel les obstacles 52 sont des tiges de vis vissées sur une plaque de support 56, reposant par exemple dans le fond du réservoir. Cette plaque 56 est ainsi percée de trous recevant chacun une vis 52, ces trous étant pratiqués le long d'une ligne fictive de forme parabolique, correspondant à celle souhaitée pour la structure 50. Les obstacles 52 sont implantés avec un pas « p » d'environ 5 mm. De plus, la structure déflectrice 50 est réalisée de façon à présenter, à la surface du liquide 16, un taux d'ouverture proche de 0,5. Ce taux d'ouverture correspond au rapport entre la somme des longueurs « dl » des espaces 54, et la somme des longueurs « dl » et des longueurs « d2 » des tiges de vis 52 correspondant à leur diamètre, par exemple de l'ordre de 3 mm. Les tiges de vis 52 et la plaque de support 56 sont préférentiellement réalisées en matériau hydrophobe, par exemple en matériau polymère.

Aussi, lorsque le liquide 16 est mis en mouvement dans le réservoir 11 en direction de la rampe 12, il passe au travers des espaces 54 et bute contre les tiges de vis 52, de sorte à étaler et ralentir les instabilités de Marangoni. Les risques de démouillage de la rampe 12 sont ainsi considérablement réduits, même lorsque les tensions de surface diffèrent largement entre le liquide porteur et la solution intégrant les particules.

Selon une alternative de réalisation montrée sur la figure 5, les obstacles 52 pourraient être reliés à un support supérieur 56, à la manière d'un peigne. Le support 56 ne serait alors plus plongé dans le liquide porteur traversé par les tiges 52, mais situé au-dessus de ce liquide en étant par exemple raccordé aux rebords 28 du convoyeur. Quelle que soit la solution retenue, celle-ci peut être complétée par la 2 0 réalisation, dans le réservoir 11 en aval de la structure déflectrice 50, d'au moins un compartiment 60 délimité par une paroi 62 perméable au liquide porteur 16. Un tel arrangement est représenté sur les figures 6 et 7, sur lesquelles le réservoir 11 est multicompartimenté en aval de la structure déflectrice 50. Les parois 62, qui traversent également la surface du liquide 16, permettent 25 de freiner encore davantage la propagation des instabilités hydrodynamiques. Ces parois perméables 62 sont réalisées d'une manière sensiblement identique ou similaire à la structure 50, à savoir par des obstacles et des espaces permettant le passage du liquide porteur. Aussi, toutes les caractéristiques décrites pour la structure 50 sont applicables aux parois 62 délimitant les compartiments 60, dont la superficie à la surface du liquide 16 peut être comprise entre 2 et 30 500 cm'. En particulier, les parois 62 peuvent être réalisées par des tiges de vis traversant la surface du liquide porteur, et vissées dans des trous correspondants pratiqués à travers la plaque de support 56 portant également la structure déflectrice 50.

La forme des compartiments 60 peut varier. Dans l'exemple représenté, certaines parois 62, délimitant plusieurs compartiments, présentent une forme parabolique sensiblement homothétique de celle de la structure déflectrice 50. Les parois 62 étant agencées en aval des moyens de dispense 2 des particules 4, celles-ci peuvent par conséquent être amenées à traverser ces parois 62 avant d'arriver à l'entrée de la rampe 12. Il est noté que les instabilités et les particules peuvent traverser la structure 50 de l'aval vers l'amont. Ceci est un phénomène provisoire puisque le flux de liquide porteur repousse l'ensemble vers le plan incliné, vers l'aval. L'avantage d'une telle situation est de profiter également de la structure 50 amont pour déconfiner davantage les instabilités. De plus, le profil de la structure 50, par exemple parabolique, circulaire, en V, sinusoïdal, etc., déforme les lignes de courant en surface pour favoriser l'étalement des particules et instabilités selon la largeur 31. Une autre particularité de l'invention réside dans le fait de prévoir, agencés au niveau d'une jonction 73 entre le réservoir 11 et la rampe inclinée 12, des moyens 70 d'élévation du niveau de liquide 16 par effet capillaire. Il est noté que cette jonction 73 entre le réservoir 11 et la rampe 12 se situe au niveau d'un point d'inflexion du liquide entre ces deux éléments du convoyeur 10. Ces moyens 70, de préférence réalisés par une barrière transversale de plots 2 0 72 espacés les uns des autres, permettant de surélever localement le niveau de liquide porteur 16, juste avant son entrée sur la rampe inclinée 12. Cette barrière est représentée plus en détail sur les figures 8 et 9. Les plots 72 qui la constituent permettent en effet la création d'un bourrelet transversal de liquide 74 à la jonction entre le réservoir 11 et la rampe 12, et ce par effet capillaire compensant le poids de ce liquide porteur. Cette technique, visant à la création 2 5 du bourrelet 74 en saillie vers le haut, permet d'atténuer encore davantage le phénomène de variation de l'épaisseur du liquide, résultant des gradients de tension interfaciale entre ce liquide 16 et la solution comportant les particules 4. Les risques de démouillage de la rampe 12 sont donc encore réduits par la mise en oeuvre de cet agencement. Les plots 72 sont agencés sur toute la largeur du réservoir 11, selon la 3 0 direction 31. Ils sont implantés avec un pas « p' » d'environ 2 à 4 mm. Les plots sont de forme générale conique, avec la base située vers le bas, de largeur / diamètre « d3 » d'environ 2 mm, et une hauteur « h » comprise entre 2 et 3 mm. Ces plots sont réalisés en matériau hydrophobe, par exemple en silicone.

Un procédé de formation et de dépôt d'un film compact de particules selon un mode de réalisation préféré de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 10a à 11b. Tout d'abord, la buse d'injection 6 est activée pour débuter la dispense des particules 4 dans le réservoir 11. Il s'agit de mettre en oeuvre une étape initiale de remplissage de la zone d'accumulation et de transfert 14, par les particules 4, avec le liquide porteur 16 déjà au niveau requis dans la zone 14. Cette étape est schématisée sur les figures 10a et 10b. Durant cette phase d'amorçage, les particules dispensées 4 sont guidées par la structure 50 et traversent les compartiments lorsque ceux-ci sont prévus dans le réservoir 11, avant d'atteindre la rampe 12. Les particules 4 pénètrent ensuite dans la zone 14 dans laquelle elles se dispersent. Au fur et à mesure que les particules 4 sont injectées et pénètrent dans la zone d'accumulation et de transfert 14, elles viennent en butée contre le substrat 38, puis le front amont de ces particules a tendance à se décaler vers l'amont, en direction de la ligne d'inflexion 24. L'injection de particules est poursuivie même après que ce front amont ait dépassé la ligne 24, afin qu'il remonte sur la rampe inclinée 12. Effectivement, il est fait en sorte que le front amont de particules 55 remonte sur la rampe 12 de manière à ce qu'il se situe à une distance horizontale « d4 » donnée de la ligne d'inflexion 24, comme montré sur la figure 11a. La distance « d4 » peut être de l'ordre de 2 0 30 mm. A cet instant représenté sur les figures 11a et 11b, les particules 4 sont ordonnées dans la zone 14 et sur la rampe 12, sur laquelle elles s'ordonnent automatiquement, sans assistance, grâce notamment à leur énergie cinétique et aux forces capillaires mises à profit au moment de l'impact sur le front 55. L'ordonnancement est tel que le premier film compact 2 5 obtenu présente une structure dite « hexagonale compacte » dans le cas de sphères, dans laquelle chaque particule 4 est entourée et contactée par six autres particules 4 en contact entre elles. Il est alors indifféremment parlé de film compact de particules, ou de film de particules ordonnées. Une fois que les particules ordonnancées 4 formant le film recouvrent 30 l'intégralité du liquide porteur situé dans la zone 14, il peut être procédé à une étape de structuration de ce film, qui ne sera pas détaillée ici, mais qui est connue de l'homme du métier. Elle consiste par exemple en la mise en place d'objets sur le film compact.

Ensuite, il est procédé à la mise en mouvement du substrat 38, initié dès que le front 55 a atteint le niveau requis représenté sur la figure 11a, et après l'éventuel processus de structuration évoqué ci-dessus. Alternativement, la structuration pourrait s'effectuer après le dépôt du film sur le substrat, sans sortir du cadre de l'invention.

Lorsque le substrat 38 commence à défiler, le film de particules 4 s'y dépose en passant à travers la sortie 26 et en empruntant le pont capillaire 42, à la manière de celle décrite dans le document CA 2 695 449. Une solution par contact plutôt que par pont capillaire est également envisageable, sans sortir du cadre de l'invention. Pour faciliter le dépôt et l'adhérence des particules 4 sur le substrat 38, de préférence réalisé en polymère, il est prévu un recuit thermique postérieurement au transfert. Ce recuit thermique est par exemple réalisé à 80°C, en utilisant un film mat de laminage basse température à base de polyester, par exemple commercialisé sous la référence PERFEX-MATTTM, d'épaisseur 125u.m. L'avantage d'un tel film en tant que substrat est que l'une de ses faces devient collante à la température de l'ordre de 80°C, ce qui permet de faciliter l'adhérence des particules 4 sur celle-ci. Plus précisément, à cette température, les particules 4 s'enfoncent dans le film ramolli 38, et permettent ainsi un contact direct avec le film, qui conduit à leur collage. Alternativement, le substrat 38 peut être du type silicium, verre, ou encore film piézoélectrique.

2 0 Au cours de la formation du film et du transfert, l'injection de particules et la vitesse de défilement du substrat sont réglées de sorte que le front de particules reste dans une position sensiblement identique. Pour ce faire, le débit de particules peut être de l'ordre de 0,1 ml/min à plusieurs ml/min, tandis que la vitesse linéaire du substrat 38, également dénommée vitesse de tirage, peut être de l'ordre de 0,1 cm/min à 100 cm/min. Cette vitesse de 25 tirage élevée, qui peut être supérieure de plus de 30% par rapport aux vitesses maximales possibles avec les installations de l'art antérieur, est obtenue en particulier grâce à la circulation du liquide porteur à travers la structure déflectrice perméable 50, et grâce à la réalisation, par effet capillaire, du bourrelet de liquide avant son introduction sur la rampe inclinée 12. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du 3 0 métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Claims

REVENDICATIONS1. Installation (1) pour la formation d'un film compact de particules (4) à la surface d'un liquide porteur (16), l'installation comportant : - une zone (11) formant réservoir de liquide porteur ; - une rampe inclinée (12) située dans le prolongement de la zone formant réservoir et sur laquelle les particules sont destinées à circuler par gravité ; - une zone d'accumulation et de transfert de particules (14) située dans le prolongement de la rampe inclinée ; - des moyens (18) de mise en mouvement du liquide porteur destinés à le faire circuler de la zone formant réservoir à la zone d'accumulation et de transfert de particules, en passant par la rampe inclinée ; - des moyens de dispense (2) des particules (4) en solution, configurés pour dispenser lesdites particules à la surface du liquide porteur dans la zone formant réservoir ; et - une structure (50) pour la déflection des particules, traversant la surface du liquide porteur (16) dans la zone formant réservoir (11), ladite structure (50) étant agencée en aval desdits moyens de dispense (2) des particules selon une direction principale (30) d'écoulement du liquide porteur de la zone formant réservoir (11) à la zone d'accumulation et de transfert de particules (14), en passant par la rampe inclinée (12), ladite structure (50) étant 2 0 configurée pour favoriser, selon une direction transversale (31) de l'installation parallèle à la surface du liquide porteur et orthogonale à une direction principale d'écoulement (30), un étalement des particules (4) en sortie de la zone formant réservoir (11), caractérisée en ce que ladite structure (50) pour la déflection des particules est perméable au liquide porteur (16). 25
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure (50) pour la déflection des particules présente, en alternance, le long de celle-ci entre une première extrémité et une seconde extrémité opposée dans ladite direction transversale (31), des obstacles (52) et des espaces (54) permettant le passage du liquide porteur (16). 30
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits obstacles (52) sont des tiges, par exemple des tiges de vis vissées sur une plaque de support (56).
4. Installation selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits obstacles (52) sont implantés avec un pas d'environ 1 à 10 mm, et en ce que la structure (50) pour la déflection des particules est réalisée de façon à présenter, à la surface du liquide porteur (16), un taux d'ouverture de l'ordre de 0,05 à 0,9, et de préférence proche de 0,5.
5. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les obstacles (52) sont réalisés en matériau hydrophobe, par exemple en polymère, ou en matériau hydrophile, par exemple en matériau métallique.
6. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les obstacles (52) présentent une largeur comprise entre 1 et 9,5 mm.
7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure (50) pour la déflection des particules s'étend tout le long du liquide porteur (16), selon ladite direction transversale (31) de l'installation.
8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure (50) pour la déflection des particules dispose d'une forme 2 0 générale définissant au moins une partie convexe (50a) vue depuis une sortie de ladite zone formant réservoir (11).
9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la structure (50) pour la déflection des particules dispose d'une forme générale parabolique, circulaire, en V 25 ou sinusoïdale.
10. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone formant réservoir (11) comporte, en aval de la structure (50) pour la déflection des particules, au moins un compartiment (60) délimité par une paroi (62) 3 0 perméable au liquide porteur (16) dont la surface est traversée par cette même paroi.
11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite paroi est réalisée par l'alternance d'obstacles et d'espaces permettant le passage du liquide porteur.
12. Installation selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que chaque compartiment (60) présente, à la surface du liquide porteur, une superficie comprise entre 0,5 et 1000 cm2.
13. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat (38) pour le dépôt du film compact de particules (4), ledit substrat (38) étant en regard d'une sortie de particules (26) de ladite zone d'accumulation et de transfert (14).
14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour assurer un dépôt du film compact de particules (4) sur un substrat (38) en défilement, ledit substrat étant souple ou rigide. 15
15. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, agencés au niveau d'une jonction (73) entre la zone formant réservoir (11) et la rampe inclinée (12), des moyens (70) d'élévation du niveau de liquide porteur (16) par effet capillaire. 2 0
16. Procédé de formation d'un film compact de particules (4) à la surface d'un liquide porteur (16), à l'aide d'une l'installation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en mouvement du liquide porteur (16) de manière à le faire circuler de la zone formant réservoir (11) à la zone d'accumulation et de transfert de particules (14), en passant par la rampe inclinée (12), ainsi 25 qu'une étape de dispense des particules (4) en solution à la surface du liquide porteur (16) en mouvement, dans la zone formant réservoir (11), ladite étape de mise en mouvement du liquide porteur étant réalisée de manière à faire circuler le liquide porteur (16) à travers ladite structure perméable (50) pour la déflection des particules, agencée en amont desdits moyens de dispense (2) de ces mêmes particules (4). 30
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre pour la formation d'un film compact de particules (4) ayant une grande dimension comprise entre 1 nm et 500 um. 10
18. Procédé selon la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisé en ce que le liquide porteur (16) est de l'eau déionisée, et en ce que lesdites particules (4) se trouvent en solution dans un solvant ayant une tension de surface inférieure à celle de l'eau déionisée, ledit solvant étant de préférence du n-butanol, méthanol, chloroforme, ou un mélange d'au moins deux d'entre eux.