Microfluidique diphasique : réseaux de micro-bulles à défauts contrôlés pour la photonique

La microfluidique est un domaine très vaste qui étudie les comportements de fluides à l'échelle micrométrique. Grâce aux progrès de la microfabrication, elle suscite un nombre croissant d'applications en biologie ou chimie, et même très récemment en optique. En effet, son utilisation pour réaliser des cristaux photoniques est attractive par rapport aux technologies standards : elle permet une fabrication collective avec des interfaces très lisses. Dans cette perspective, cette thèse propose d'utiliser la microfluidique diphasique pour la fabrication de réseaux stables de microbulles, et pour intégrer de façon simple des fonctionnalités optiques réelles. Nous présentons d'abord la formation de réseaux hexagonaux de microbulles monodisperses de période dans la gamme 5-100 µm, contrôlée par la géométrie et les conditions d'écoulement. La qualité de ces cristaux a été révélée par imagerie de diffraction. Un photopolymère, utilisé comme liquide porteur, a permis l'obtention de structures stables sur plusieurs mois. Nous avons développé une technologie verre-verre qui permet la fabrication de canaux adaptés aux applications optiques : transparents, rigides et chimiquement résistants. Pour démontrer les potentialités de nos systèmes, nous avons réalisé des cristaux de bulles incluant des défauts contrôlés (lacune d'une bulle ou d'une ligne de bulles), éléments clés pour la conception de guides d'ondes ou de résonateurs. Nous utilisons des plots qui excluent les bulles de zones choisies, par compétition entre tension interfaciale et forces hydrodynamiques. Nous avons développé et validé expérimentalement un modèle qui prédit l'efficacité de cette méthode. La génération des microbulles sur puce est prometteuse pour la photonique : elle permet l'auto-organisation des structures avec une rugosité extrêmement faible. L'obtention de périodes comparables à la longueur d'onde est encore nécessaire pour la réalisation de fonctions basées sur les cristaux photoniques. Notre approche doit permettre cette réduction de taille, car les limites de diffraction inhérentes à la photolithographie interviennent seulement pour la fabrication des canaux et non lors de la formation des bulles. Ce travail constitue donc une nouvelle approche, optofluidique, à la réalisation d'un guide d'onde, un filtre ou un résonateur optique.Microfluidics is a large field that encompasses the study of fluids' behavior at microscales. Progresses in microfabrication technologies have enabled an increasing number of applications in biology, chemistry, and recently in optics. Indeed, microfluidic methods to fabricate photonic crystals are attractive, as compared to standard microfabrication, since they enable low interfaces roughness and self-organized collective fabrication. In this perspective, this thesis suggests the use of two-phase microfluidics to fabricate stable bubble networks, and to integrate easily realistic optical functionalities. First of all, we present the formation of monodisperse hexagonal bubble networks with a tunable pitch (between 5 and 100 µm) controlled by geometry and flow conditions. High-quality crystal organization is revealed by diffraction imaging. A photopolymer, used as carrier liquid, enables obtaining long life crystals. We have developed a glass-glass technology which allows the fabrication of channels adapted to optical applications: transparent, rigid and chemically resistant. To further demonstrate the potentiality of our approach, we have realized bubble crystals which contain controlled defects (lacuna of one, two or line of bubbles), key element in the design of waveguides or resonators. Small bumps are used in order to exclude bubbles from determined zones by a competition between interfacial tension and hydrodynamic forces. We have developed and experimentally confirmed a model which predicts the efficiency of this method. On-chip generated microbubbles are promising for photonics: they intrinsically enable self-organization and surface roughness unbeatably low. Sub-wavelength period are still needed to build photonic crystal-based optical functions. Our approach should enable such scaling down, because bubble formation is not diffraction limited as opposed to photolithography. This work thus opens a novel way to achieve optical functionalities such as waveguide, filter or resonator

Microfluidique diphasique (réseaux de micro-bulles à défauts contrôlés pour la photonique)

TOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocSudocFranceF

Capillary filling in nanochannels : modeling, fabrication and experiments

While capillary filling in channels of micrometers scale is experimentally verified to obey Washburn's law well, the speed of capillary filling in nanochannels is noticeably lower than described by Washburn's formula. This article reports the theoretical and experimental results on capillary filling in open-end and closed-end nanochannels. Nanochannels of 45 nm and 80 nm depth, 10 μm width, were etched in silicon and bonded to a glass cover. Experiments on filling of non-electrolytic liquid in silicon nanochannels were carried out. The filling processes were observed and recorded. To estimate the influence of electrokinetics, a mathematical model to calculate the electroviscous effect was established. This model shows that the contribution of the electroviscous effect in the reduction of filling speed is small. This result also agrees well with previous theoretical work on the electroviscous effect. That means that besides the electroviscous effect, there are other phenomena that contribute to the reduction of capillary filling speed in a nanochannel, such as air bubbles formation. Experimental investigation of capillary filling in open-end and closed-end nanochannels with different lengths was performed. The filling processes of ethanol and isopropanol and the behavior of the trapped air were recorded and evaluated. Analytical models based on the continuum assumption were used to evaluate the experimental data. We observed that the filling process consists of two stages. At the initial stage, experimental data agree well with the theoretical model, but with a higher apparent viscosity. In the final stage, condensation of the liquid phase and dissolution of the gas phase lead to total filling of the nanochannel. The observed phenomena are important for understanding the behavior of multiphase systems in nanochannels.Accepted versio