WO2015121462A1 - Dispositif et appareil electrochimique et procedes mettant en œuvre un tel appareil - Google Patents

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Dominique Ausserre
Refahi ABOU KHACHFE
Guillaume BROTONS
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Le Mans Universite
University of Maine System
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Le Mans Universite
University of Maine System
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Definitions

  • the invention relates to an electrochemical device, to an apparatus comprising such a device and to the use of such an apparatus for the in situ study of at least one electrochemical reaction and / or an electrochemical deposition process.
  • Solid-liquid interfaces are home to many types of chemical and physicochemical reactions.
  • the interfaces between conducting solids (in particular metals) and electrolytes are the seat of electrochemical reactions which can have many applications: generation and storage of electrical energy, production of chemical and biochemical sensors, catalysis, etc.
  • the electrochemical reactions take place on the surface of electrodes, which are generally opaque, in contact with an electrolyte; therefore, in accordance with the prior art, an optical imaging device used to study such a reaction must be arranged in the half space containing the active surface of the electrode and the electrolyte. But the local electrochemical measurements must also be performed in the same half-space, for example by means of a local contact probe sweeping the electrode; such a probe may be interposed between the optical imaging device and the surface, hindering the observation of the latter.
  • the invention aims to overcome, in whole or in part, these disadvantages of the prior art.
  • such an object is achieved by using a conductive thin layer deposited on the inner face of a transparent wall of an electrochemical cell.
  • This conductive thin layer performs a dual function:
  • optical contrast enhancing layer optimized for illumination and observation by its rear face (opposite to the face in contact with the electrolyte contained in the electrochemical cell).
  • the observation of the electrode is made with a high contrast and its back side, so as not to be hindered by the simultaneous presence of a local electrochemical characterization means on the front face.
  • the invention also aims to provide a new method of manufacturing structured thin layers, implementing a photoelectrochemical printing process.
  • a light pattern can be projected onto the rear face of a conductive thin layer as mentioned above.
  • a deposit occurs selectively in the only illuminated regions (or, conversely, unlit), or in any case with a rate of growth of the deposit depending on the luminous intensity.
  • a structured thin film is thus obtained whose structure reproduces that of the projected optical pattern.
  • the growth of this layer can be followed in real time, and with a high optical contrast, by observation of the rear face of the thin layer.
  • An object of the invention is therefore an electrochemical device comprising a fluidic cell having an internal volume that can be filled by a fluid and at least a first and a second electrode in contact with said internal volume, characterized in that at least said first electrode comprises a thin layer of conductive material and optically absorbing at least one wavelength ⁇ in the visible spectrum, near infrared or near ultraviolet, said thin layer being arranged on or in an inner surface of a wall of said fluidic cell at least partially transparent to said wavelength ⁇ .
  • Said thin layer may have a thickness less than or equal to 150 nm, preferably less than or equal to 40 nm and more preferably less than or equal to 20 nm.
  • Said wall may form, with said thin layer, a window having, at said wavelength ⁇ , a transmittance greater than or equal to 30%, preferably greater than or equal to 60% and more preferably greater than or equal to 80%. %.
  • This window may have a reflectance of less than or equal to 70%, preferably less than or equal to 50%, more preferably less than or equal to 40%, more preferably less than or equal to 20%, more preferably less than or equal to equal to 10% or even 1%.
  • Said thin layer may be made of a material chosen from: a metal; a semiconductor; graphene; boron doped diamond; a layer of nanoparticles; a metal oxide; a conductive polymer.
  • Said thin layer may be produced by implantation - and especially by ion implantation - in said wall.
  • At least the portion of said wall in direct contact with said thin layer may be made of transparent conductive material at said wavelength ⁇ .
  • the device may comprise a local probe microscopy probe, a conductive tip of which constitutes said second electrode.
  • said second electrode may have a flat surface arranged facing said thin layer parallel to the latter.
  • Said wall carrying said thin layer can be removable.
  • the device may also comprise a third electrode, called reference electrode, in contact with said internal volume.
  • a third electrode called reference electrode
  • Another object of the invention is an electrochemical apparatus comprising such an electrochemical device, as well as an optical reflection imaging device, arranged to illuminate said thin layer through said wall at at least said wavelength ⁇ , and to observe it also through said wall.
  • Said optical reflection imaging device may comprise an optical microscope.
  • the apparatus may also include a local probe microscope having a local probe, arranged to scan said thin layer, a conductive tip of which forms said second electrode.
  • the apparatus may also include a potentiostat or amperostat connected to said electrodes.
  • Said internal volume may contain a fluid at least partially transparent to said wavelength ⁇ , the thickness ei of said thin layer being between half and twice a thickness corresponding to a first minimum of reflectivity when it is illuminated at said wavelength ⁇ through said wall.
  • Said optical reflection imaging device may, in addition, be adapted to illuminate said thin layer at least one wavelength ⁇ minimizing the reflectivity in correspondence of said first minimum, with a tolerance of plus or minus 10% and preferably plus or minus 5%.
  • the apparatus may also include an optical projection device arranged to project a light pattern on said thin layer through said wall.
  • Yet another object of the invention is a method of in situ study of an electrochemical reaction comprising the following steps:
  • Yet another object of the invention is an electrochemical printing process comprising the following steps:
  • said optical projection device can be used to project on said thin layer a light pattern corresponding to a first wavelength or to a first set of wavelengths and said optical imaging device can be used to illuminate said thin layer at least at said wavelength ⁇ , different from said first wavelength or not belonging to said first set of wavelengths.
  • Figure 1 the contrast with which is observed a sample deposited on an absorbing layer amplifying contrast at different wavelengths
  • FIG. 2A a device and apparatus according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2B a detail view of a fluidic cell of a device according to another embodiment of the invention.
  • Figures 3A and 3B two possible embodiments of a contrast amplifying absorbing layer.
  • antireflection layers or " ⁇ / 4" layers
  • ⁇ / 4" layers antireflection layers
  • n is the refractive index (real) of the layer
  • n 0 and n 3 the refractive indices (also real) incident and emergent media
  • & ⁇ thickness of the layer and ⁇ the wavelength of illumination.
  • An idea underlying the present invention is to provide an absorbent and conductive reflection layer (knowing that most conducting materials absorb light, the reciprocal being not true), deposited on a transparent substrate and sized to serve contrast-enhancing layer when used in an "inverted” or “back-face” configuration, ie with illumination and observation through said substrate, the latter having a refractive index greater than that of the medium emerging (or "ambient environment”).
  • Another idea underlying the present invention is to use such an absorbent and conductive antireflection layer as the working electrode of an electrochemical cell, said transparent substrate of which forms a wall.
  • the changes in the absorbent and conductive reflection layer induced by the electrochemical reactions which take place on its surface induce significant changes in its reflectivity when it is illuminated and observed through the substrate, which makes it possible to follow the progress of said reactions. using an optical device such as a microscope.
  • electrochemical imaging techniques using a local conductive probe can be implemented simultaneously without disturbing said observation.
  • a layer of absorbent material of thickness ei having a complex dielectric constant ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ '-) ⁇ ⁇ "between two transparent semi-infinite media, called” incident medium “and” emerging medium “having constant constants, is considered.
  • the imaginary part e t "of the dielectric constant of the thin absorbent layer may be greater than or equal to 10 -4 or even 10 -3 or even 10 -2 .
  • the thickness ei is very small, of the order of one nanometer. This is not surprising since suppression of reflection results from destructive interference between the light amplitudes reflected by the front and rear faces of the thin layer; if it were too thick, the light incident on one side would be completely absorbed before reaching the opposite side, and this interference effect could not occur.
  • condition (2) It is difficult to find a material satisfying condition (2) because normally ⁇ - ⁇ 'is negative. However, even if this condition is not satisfied, the reflectivity is minimized when the condition (3) is minimized. A timely choice of the wavelength may eventually make it possible to approach the condition (2).
  • the dielectric constants ⁇ and ⁇ 2 may be effective dielectric constants. If the incident medium and / or the emerging medium are partially absorbent, replace ⁇ 0 and ⁇ 2 by the real parts of their complex dielectric constants. If we consider magnetic materials, we must consider refractive indices instead of dielectric constants.
  • a very thin layer of an absorbent material forms an antireflection layer when it is deposited on a transparent or semi-transparent substrate, illuminated through this substrate and brought into contact with a transparent, semi-transparent emerging medium. transparent or even turbid.
  • a layer can cancel the reflection or have a minimum of non-zero reflectivity.
  • it allows the formation of high-contrast optical images of objects that can be very thin and transparent, such as molecular layers (referred to as a "contrast enhancer layer").
  • a contrast enhancer layer In practice, for a given wavelength of illumination and incident and emergent media, it will be possible to determine - by means of an analytical model or a numerical computation - the first minimum of reflectivity (i.e.
  • the layer may coincide with this minimum, or deviate voluntarily as will be explained later. More preferably, we can minimize the reflectivity with respect to the thickness e and the wavelength ⁇ , which may be obtained by well known digital techniques. Alternatively, we can base our on equation (2) by choosing the lighting wavelength ⁇ that minimizes (f j - ⁇ / ⁇ 0 ⁇ 2 ), then apply equation (3) to determine ei.
  • Such a thin layer is made of conductive material, such as a metal, such a configuration is very suitable for electrochemical applications, as will be explained with reference to FIG. 2A.
  • the device comprises a fluidic cell, possibly microfluidic, CF, with two ports P1, P2 allowing the introduction and the evacuation - possibly continuously, in the form of a circulation - of a fluid EL, which can in particular be a electrolyte.
  • a fluid EL which can in particular be a electrolyte.
  • the fluid EL is a transparent liquid; it can however be a partially absorbent liquid or turbid or even a gas.
  • the CF cell can be completely closed or partially open, for example at its upper part.
  • the bottom of the cell is formed by a transparent wall PT, typically glass, on the inner face (that is to say in contact with the liquid) which is deposited a thin metal layer CMM.
  • the PT wall can also be semi-transparent; advantageously, this wall and the CMM thin film form a transmittance window greater than or equal to 30%, preferably greater than or equal to 60% and more preferably greater than or equal to 80%.
  • the wall and the PT CMM thin layer can constitute or form part of a removable assembly, designed to be replaced after being used for the study of an electrochemical reaction or after a photoelectrochemical printing operation. It is then a "consumable" of the apparatus of Figure 2A.
  • the wall PT preferably has a thickness less than or equal to 1 mm, or even 250 .mu.m.
  • the thickness of the CMM layer is chosen, according to the refractive indices of the fluid EL and the wall PT so as to reduce the reflectivity of the window relative to the case where it would be absent.
  • equation (3) can be satisfied at least approximately and for a wavelength ⁇ in the visible spectrum, near infrared or near ultraviolet.
  • ⁇ in the visible spectrum, near infrared or near ultraviolet.
  • the thin metal layer CMM constitutes the working electrode of an electrochemical cell formed inside the fluidic cell CF; this electrochemical cell comprises at least one second electrode (counter-electrode) and preferably a third electrode (reference electrode).
  • the counter-electrode CE is constituted by the conductive tip of a local probe SLC of a microscope with local probe MSL-te! an atomic force or tunnel-effect microscope - scanning the surface of the CMM layer, according to the principles of electrochemical scanning microscopy.
  • Figure 2B it could be a planar electrode, for example fixed to an upper wall of the fluid cell, facing the CMM working electrode.
  • the reference electrode ER has, in this embodiment, the shape of a needle immersed in the fluid EL; in other embodiments it could be, for example, a pellet integrated into the PT wall but isolated from the CMM electrode.
  • the MSL local probe microscope moves the SLC probe onto the surface of the CMM layer; a potentiostat PS (which, in the embodiment of FIG. 2, is integrated in the MSL microscope) or an amperostat keeps said probe at a potential Vi, said layer at a potential V 2 and the reference electrode at a potential V R and measure the current flowing between said probe and said layer.
  • the potential of the reference electrode ER and of the counter-electrode CE is set and the current between said counterelectrode and the working electrode CMM is measured, but other ways of proceed are possible.
  • An optical reflection imaging device such as an optical microscope MO is arranged on the outer face of the transparent wall PT to acquire an optical image of the electrochemical reactions taking place on the CMM metal layer serving as working electrode. Indeed these reactions alter said layer, or the composition of the EL electrolyte in its vicinity, whether by corrosion, electrochemical deposition or other redox reactions; these alterations, however small, are visualized with a high contrast thanks to the optical properties of the CMM layer, discussed above.
  • the thickness of the layer may correspond to the "nominal" thickness minimizing the reflectivity with a tolerance of ⁇ 10% or even ⁇ 30%, or even ⁇ 50%, or even be between half and twice this nominal thickness.
  • the microscope MO comprises a light source SL generating a light beam FL, an objective OBJ focusing this beam on the rear face of the CMM layer and collecting the light backscattered by the latter, a separator of LSF beam to separate the light directed to the CMM layer and the one coming from it and a CIM image sensor.
  • the FL beam light can be monochromatic or polychromatic, spatially coherent or incoherent, polarized or unpolarized.
  • the CMM layer may optionally be functionalized, for example to produce an electrochemical sensor, such as a glucose sensor.
  • an electrochemical sensor such as a glucose sensor.
  • the apparatus of Figure 2A can be used for the in-situ study of an electrochemical reaction. For example, it may be able to correlate the electrical currents flowing in the electrodes under the applied voltage conditions and the mass modifications of the CMM layer or its neighborhood estimated from the optical observations by reflection. This allows in particular to control the quality or the progress of an electrochemical process, for example surface treatment, etching, deposition, etc. and / or measure the kinetics. It is also possible to control such a process by modifying the voltage values of the electrodes according to the optical observation.
  • Intermediate layers may be present between the PT wall and the CMM thin metal layer.
  • FIG. 3A which is not to scale, it is possible to provide a relatively thick intermediate layer C1 (of the order of 200 nm, for example) of transparent conductive material, making it possible to standardize the electrical voltage of the CMM layer; indeed, because of its small thickness, the latter has a fairly high electrical resistance per unit area, leading to a non-uniform voltage when traversed by a current.
  • FIG. 3B illustrates another variant embodiment of the invention in which the CMM layer is implanted (for example by ion implantation) in the PT wall, and is therefore a few nanometers below the surface of the latter.
  • the embodiments of FIGS. 3A and 3B can be combined by implanting an absorbent and conductive layer in a thicker layer of transparent conductive material deposited on a wall, for example made of glass. So far only the case of a metallic CMM layer has been considered. This stress can however be released, and the metal be replaced by any other absorbent conductor suitable for electrochemical applications, for example graphene or a highly doped semiconductor (degenerate), in particular boron-doped diamond.
  • the latter material in particular, has interesting properties of chemical inertness, hardness and conductivity, as well as a very good surface state. It may also be a layer of nanoparticles, a layer of a metal oxide or a conductive polymer.
  • the optical microscope MO may be of a type different from that illustrated in FIG. 2A.
  • it may comprise a polarizer and a crossover analyzer, or more generally orientable, for an observation in polarized light.
  • It may also be a differential interference contrast microscope with two Wollaston prisms and a cross polarizer and analyzer.
  • the apparatus of FIG. 2A also includes a DPO optical projection device arranged to project a light pattern onto said thin layer through said wall.
  • This device comprises a second light source SLP for generating a projection light beam, an optical intensity mask or modulator MOI arranged on the path of said projection light beam to define said light pattern and an optical system SO forming with the objective OBJ an afocal system.
  • a second beam splitter LSFP makes it possible to superimpose the projection light beam on the illumination light beam FL upstream of the objective OBJ.
  • the projection light beam has a wavelength (or wavelengths) different from that (s) used (s) for the observation of the layer. It is not important that the reflectivity reduction condition be satisfied for the wavelength (s) used for projection of the light pattern.
  • lighting by the light pattern allows to spatially modulate the electrochemical reactivity of the surface of the CMM electrode.
  • This can be exploited to create thin layers structured, absorbed or grafted covalently on said electrode, the PT wall serving as a substrate.
  • it is possible to use a planar counter-electrode parallel to the CMM layer (see FIG. 2B) or, on the contrary, a tip sweeping said layer.
  • the structuring is obtained both electrically and optically.
  • the structured layer reported on the surface of the CMM electrode may have chemical, electrical and / or optical properties different from those of said electrode.

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Abstract

Dispositif électrochimique comprenant une cellule fluidique (CF) présentant un volume interne pouvant être rempli par un fluide (EL) ainsi qu'au moins une première (CMM) et une deuxième (CE) électrode en contact avec ledit volume interne, caractérisé en ce qu'au moins ladite première électrode comprend une couche mince en matériau conducteur et optiquement absorbant à au moins une longueur d'onde λ dans le spectre visible, proche infrarouge ou proche ultraviolet, ladite couche mince étant agencée sur ou dans une surface interne d'une paroi (PT) de ladite cellule fluidique au moins partiellement transparente à ladite longueur d'onde λ. Appareil électrochimique comprenant un tel dispositif électrochimique et un microscope optique (MO) agencé pour éclairer ladite première électrode à travers ladite paroi à au moins ladite longueur d'onde λ, et pour l'observer également à travers ladite paroi.

Description

DISPOSITIF ET APPAREIL ELECTROCHI IQUE ET PROCEDES METTANT EN ŒUVRE UN TEL APPAREIL
L'invention porte sur un dispositif électrochimique, sur un appareil comprenant un tel dispositif et sur l'utilisation d'un tel appareil pour l'étude in situ d'au moins une réaction électrochimique et/ou d'un procédé de dépôt électrochimique.
Les interfaces solide-liquide sont le siège de nombreux types de réactions chimiques et physico-chimiques. En particulier, les interfaces entre des solides conducteurs (notamment des métaux) et des électrolytes sont le siège de réactions électrochimiques qui peuvent présenter des nombreuses applications : génération et stockage d'énergie électrique, réalisation de capteurs chimiques et biochimiques, catalyse, etc.
Ces réactions sont des phénomènes complexes, impliquant plusieurs étapes, particulièrement difficiles à comprendre et à contrôler. En raison de cette complexité, les études menées dans ce domaine considèrent essentiellement le cas de surfaces planaires ; de même, les surfaces planaires sont utilisées de manière prépondérante dans les applications. Avec l'intégration progressive de dispositifs analytiques complexes, la prise en compte du caractère local des phénomènes électrochimiques prend une importance croissante. En outre, l'étude en temps réel de la cinétique de réaction fournit des informations essentielles sur ces mécanismes. Pour ces raisons il existe un besoin croissant d'outils combinant mesures électrochimiques locales et imagerie. Les techniques d'imagerie les plus simples sont de type optique ; malheureusement, il est difficile de les combiner avec des mesures électrochimiques locales. En effet, les réactions électrochimiques se déroulent à la surface d'électrodes, qui sont généralement opaques, en contact avec un électrolyte ; par conséquent, conformément à l'art antérieur, un dispositif d'imagerie optique utilisé pour étudier une telle réaction doit être agencé dans le demi-espace contenant la surface active de l'électrode et l'électrolyte. Mais les mesures électrochimiques locales doivent également être réalisées dans le même demi-espace, par exemple au moyen d'une sonde locale de contact balayant l'électrode ; une telle sonde peut s'interposer entre le dispositif d'imagerie optique et la surface, gênant l'observation de cette dernière.
Même en l'absence de ces contraintes d'encombrement, l'observation d'une surface à travers un électrolyte peut s'avérer difficile. Par ailleurs, les modifications de la surface de l'électrode induites par une réaction électrochimique présentent souvent un faible contraste optique - que l'on pense par exemple aux premiers instants du dépôt d'une couche électrolytique, lorsque ladite couche présente une épaisseur moyenne de l'ordre d'un nanomètre ou moins.
L'invention vise à surmonter, en tout ou en partie, ces inconvénients de l'art antérieur.
Conformément à l'invention, un tel but est atteint en utilisant une couche mince conductrice déposée sur la face interne d'une paroi transparente d'une cellule électrochimique. Cette couche mince conductrice accomplit une double fonction :
elle constitue une électrode de travail, à la surface de laquelle se déroule la réaction électrochimique à étudier ;
elle constitue également une couche amplificatrice de contraste optique, optimisée pour un éclairage et une observation par sa face arrière (opposée à la face en contact avec ['électrolyte contenu dans la cellule électrochimique).
Ainsi l'observation de l'électrode se fait avec un contraste élevé et par sa face arrière, de façon à ne pas être gênée par la présence simultanée d'un moyen de caractérisation électrochimique locale sur la face avant.
L'invention vise également à procurer une nouvelle méthode de fabrication de couches minces structurées, mettant en œuvre un procédé d'impression photo-électrochimique. Conformément à cet aspect de l'invention, un motif lumineux peut être projeté sur la face arrière d'une couche mince conductrice telle que mentionnée plus haut. Dans des conditions chimiques opportunes (voir par exemple le document WO 2009/03731 1 ), un dépôt se produit sélectivement dans les seules régions éclairées (ou, inversement, non éclairées), ou en tout cas avec un taux de croissance du dépôt dépendant de l'intensité lumineuse. On obtient ainsi une couche mince structurée dont la structure reproduit celle du motif optique projeté. La croissance de cette couche peut être suivie en temps réel, et avec un contraste optique élevé, par observation de la face arrière de la couche mince.
Un objet de l'invention est donc un dispositif électrochimique comprenant une cellule fluidique présentant un volume interne pouvant être rempli par un fluide ainsi qu'au moins une première et une deuxième électrode en contact avec ledit volume interne, caractérisé en ce qu'au moins ladite première électrode comprend une couche mince en matériau conducteur et optiquement absorbant à au moins une longueur d'onde λ dans le spectre visible, proche infrarouge ou proche ultraviolet, ladite couche mince étant agencée sur ou dans une surface interne d'une paroi de ladite cellule fluidique au moins partiellement transparente à ladite longueur d'onde λ.
Selon différents modes de réalisation d'un tel dispositif :
Ladite couche mince peut présenter une épaisseur inférieure ou égale à 150 nm, de préférence inférieure ou égale à 40 nm et de manière encore préférée inférieure ou égale à 20 nm.
- Ladite paroi peut former, avec ladite couche mince, une fenêtre présentant, à ladite longueur d'onde λ, une transmittance supérieure ou égale à 30%, de préférence supérieure ou égale à 60% et de manière encore préférée supérieure ou égale à 80%.
Cette fenêtre peut présenter une réflectance inférieure ou égale à 70%, de préférence inférieure ou égale à 50%, de manière encore préférée inférieure ou égale à 40%, de manière encore préférée inférieure ou égale à 20%, de manière encore préférée inférieure ou égale à10%, voire à 1 %.
Ladite couche mince peut être réalisée en un matériau choisi parmi : un métal ; un semi-conducteur ; le graphène ; le diamant dopé bore ; une couche de nanoparticules ; un oxyde métallique ; un polymère conducteur. Ladite couche mince peut être réalisée par implantation - et notamment par implantation ionique - dans ladite paroi.
Au moins la partie de ladite paroi en contact direct avec ladite couche mince peut être réalisée en matériau conducteur transparent à ladite longueur d'onde λ.
Le dispositif peut comprendre une sonde de microscopie à sonde locale dont une pointe conductrice constitue ladite deuxième électrode.
Alternativement, ladite deuxième électrode peut présenter une surface plane agencée en regard de ladite couche mince parallèlement à cette dernière.
Ladite paroi portant ladite couche mince peut ête amovible.
Le dispositif peut comprendre également une troisième électrode, dite de référence, en contact avec ledit volume interne.
Un autre objet de l'invention est un appareil électrochimique comprenant un tel dispositif électrochimique, ainsi qu'un dispositif d'imagerie optique par réflexion, agencé pour éclairer ladite couche mince à travers ladite paroi à au moins ladite longueur d'onde λ, et pour l'observer également à travers ladite paroi.
Selon différents modes de réalisation d'un tel appareil :
Ledit dispositif d'imagerie optique par réflexion peut comprendre un microscope optique.
L'appareil peut comprendre également un microscope à sonde locale ayant une sonde locale, agencée pour balayer ladite couche mince, dont une pointe conductrice forme ladite deuxième électrode.
L'appareil peut comprendre également un potentiostat ou ampérostat connecté auxdites électrodes.
Ledit volume interne peut contenir un fluide au moins partiellement transparent à ladite longueur d'onde λ, l'épaisseur e-i de ladite couche mince étant comprise entre la moitié et le double d'une épaisseur correspondant à un premier minimum de réflectivité lorsqu'elle est éclairée à ladite longueur d'onde λ à travers ladite paroi.
Ledit dispositif d'imagerie optique par réflexion peut, en outre, être adapté pour éclairer ladite couche mince à au moins une longueur d'onde λ minimisant la réflectivité en correspondance dudit premier minimum, avec une tolérance de plus ou moins 10% et de préférence de plus ou moins 5%.
- L'appareil peut comprendre également un dispositif de projection optique agencé pour projeter un motif lumineux sur ladite couche mince à travers ladite paroi.
Encore un autre objet de l'invention est un procédé d'étude in situ d'une réaction électrochimique comprenant les étapes suivantes :
appliquer une différence de potentiel entre deux électrodes d'un tel appareil électrochimique, un fluide susceptible de provoquer une réaction électrochimique étant contenu dans ledit volume interne, moyennant quoi une dite réaction électrochimique se déroule à la surface de ladite première électrode ; et
éclairer et observer ladite première électrode à travers ladite paroi au moyen dudit dispositif d'imagerie optique.
Encore un autre objet de l'invention est un procédé d'impression électrochimique comprenant les étapes suivantes :
appliquer une différence de potentiel entre ladite première et ladite deuxième électrode d'un tel appareil électrochimique, un fluide susceptible de provoquer une réaction de dépôt photo-électrochimique étant contenu dans ledit volume interne ;
- simultanément, projeter un motif lumineux sur ladite couche mince à travers ladite paroi au moyen dudit dispositif de projection optique moyennant quoi une réaction de dépôt photo-électrochimique se déroule à la surface de ladite première électrode, contrôlée par l'éclairage local de ladite surface par ledit motif lumineux ; et
- observer ladite première électrode à travers ladite paroi au moyen dudit dispositif d'imagerie optique. Avantageusement, ledit dispositif de projection optique peut être utilisé pour projeter sur ladite couche mince un motif lumineux correspondant à une première longueur d'onde ou à un premier ensemble de longueurs d'onde et ledit dispositif d'imagerie optique peut être utilisé pour éclairer ladite couche mince à au moins à ladite longueur d'onde λ, différente de ladite première longueur d'onde ou n'appartenant pas audit premier ensemble de longueurs d'onde.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressorti ront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
la figure 1 , le contraste avec lequel est observé un échantillon déposé sur une couche absorbante amplificatrice de contraste à différentes longueurs d'onde ;
la figure 2A, un dispositif et un appareil selon un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2B une vue de détail d'une cellule fluidique d'un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et
les figures 3A et 3B deux modes de réalisation possibles d'une couche absorbante amplificatrice de contraste.
L'utilisation de couches antireflet (ou couches « λ/4 ») pour augmenter le contraste optique d'un objet observé en microscopie optique par réflexion est une technique connue depuis de nombreuses années et très puissante ; elle a permis notamment la première observation de marches moléculaires par Langmuir et Blodgett en 1937 et, plus récemment, la visualisation des couches de graphène par Novoselov et al.
Soit / l'intensité lumineuse réfléchie par l'objet à observer, déposé sur un support, et /s celle réfléchie par le support seul ; alors, le contraste avec lequel l'échantillon est observé vaut C=(l-ls)/(l+ls). On comprend que la valeur absolue de ce contraste prend sa valeur maximale (égale à 1 ) quand /s=0, c'est-à-dire quand le support a une réflectivité nulle, ou bien quand l'objet supporté à une réflectivité nulle. Dans le cas le plus simple, la condition ls=0 est satisfaite en utilisant en tant que support un substrat transparent sur lequel est déposée une couche mince, également transparente, dont l'épaisseur et l'indice de réfraction sont choisis de manière opportune. Dans le cas d'une couche antireflet unique, éclairée en incidence normale avec un milieu incident (dont provient l'éclairage) et un milieu émergent (le substrat) transparents et semi-infinis, on obtient les conditions suivantes :
ii 2 = n0n3 (1 a) n1e1 = X/ (1 b) où n est l'indice de réfraction (réel) de la couche, n0 et n3 les indices de réfraction (également réels) des milieux incident et émergent, &\ l'épaisseur de la couche et λ la longueur d'onde d'éclairage.
Certains auteurs ont également envisagé l'utilisation de matériaux absorbants pour la réalisation de couches antireflets ou amplificatrices de contraste.
Par exemple
L'article de S. G. Moiseev et S. V. Vinogradov « Design of Antireflection Composite Coating Based on Métal Nanoparticle », Physics of Wave Phenomena, 20 , Vol 10, N°1 , pages 47 - 51 étudie les conditions que doit satisfaire une couche mince faiblement absorbante déposée sur un substrat transparent pour annuler la réflexion en incidence normale à l'interface air-substrat, l'éclairage étant effectué par l'air. Ce document décrit également une couche mince absorbante en matériau composite contenant des nanoparticules métalliques satisfaisant de manière approchée à ces conditions. Cette étude est fondée sur une étude analytique limitée aux matériaux à très faible absorption et difficilement généralisable.
Les articles suivants :
M. A. Kats et al. « Nanometre optical coatings based on strong interférence effects in higly absorbing média », Nature Materials, Vol. 12, Janvier 2013, pages 20 - 24; et
R. M. A. Azzam et al. « Antieflection of an absorbing substrate by an absorbing thin film at normal incidence », Applied Optics, Vol. 26, No 4, pages 719 - 722 (1987) divulguent des couches a nti reflet absorbantes déposées sur des substrats qui sont à leur tour absorbants. Là encore, seuls des cas particuliers sont décrits, qui sont difficilement généralisables.
Le document US 5,216,542 divulgue un revêtement antireflet pour un substrat en verre comportant, sur une face avant du substrat (destinée à être éclairé), une structure multicouches comprenant des couches transparentes et des couches absorbantes en TiNx et, sur une face arrière dudit substrat, un couche absorbante unique en TiNx dont l'épaisseur est de nature à assurer une réflectivité faible.
Une idée à la base de la présente invention consiste à réaliser une couche a nti reflet absorbante et conductrice (sachant que la plupart des matériaux conducteurs absorbent la lumière, la réciproque n'étant pas vraie), déposée sur un substrat transparent et dimensionnée pour servir de couche amplificatrice de contraste lorsqu'elle est utilisée dans une configuration « inversée » ou « face arrière », c'est-à-dire avec éclairage et observation à travers ledit substrat, ce dernier ayant un indice de réfraction supérieur à celui du milieu émergent (ou « milieu ambiant »).
Une autre idée à la base de la présente invention consiste à utiliser une telle couche antireflet absorbante et conductrice en tant qu'électrode de travail d'une cellule électrochimique, dont ledit substrat transparent forme une paroi. Les modifications de la couche a nti reflet absorbante et conductrice induites par les réactions électrochimiques qui se déroulent à sa surface induisent des modifications importantes de sa réflectivité lorsqu'elle est éclairée et observée à travers le substrat, ce qui permet de suivre le déroulement desdites réactions à l'aide d'un appareil optique tel qu'un microscope.
Etant donné que l'observation de la couche conductrice servant d'électrode de travail se fait par sa face arrière (en contact avec la paroi transparente), des techniques d'imagerie électrochimique utilisant une sonde locale conductrice (Microscopie Electrochimique à Balayage, ou SECM de l'anglais « Scanning ElectroChemical Microscopy » ; Mircoscopie à Balayage à Effet Tunnel Electrochimique, ou ECSTM de l'anglais « ElectroChemicai Scanning Tunnel Microscopy » ; etc.) peuvent être mises en œuvre simultanément sans perturber ladite observation.
On considère une couche en matériau absorbant d'épaisseur ei ayant une constante diélectrique complexe εχ = εχ' - )εχ" comprise entre deux milieux semi-infinis transparents, appelés « milieu incident » et « milieu émergent », ayant des constantes diélectriques réelles EQ et ε2 respectivement. Une onde lumineuse plane de longueur d'onde λ est incidente sur la couche en provenant du milieu incident. On considère que cette longueur d'onde λ appartient au spectre visible (390 nm - 750 nm), proche infrarouge (750 - 3000 nm) ou proche ultraviolet (300 - 390 nm). Les valeurs de constante diélectrique s'entendent à la longueur d'onde λ. Aucun matériau réel n'est parfaitement transparent, par conséquent toute constante diélectrique a une composante imaginaire non nulle ; toutefois on considère de manière conventionnelle qu'une constante diélectrique est « réelle », correspondant à un matériau « transparent », lorsque la partie imaginaire de son indice de réfraction à cette longueur d'onde est inférieure à 10"4, voire à 10~6. On rappelle que, en considérant des matériaux non magnétiques, l'indice de réfraction - éventuellement complexe - est donné par la racine carrée de la constante diélectrique.
Avantageusement, la partie imaginaire et" de la constante diélectrique de la couche mince absorbante peut être supérieure ou égale à 10"4, voire à 10"3, voire à 10"2.
Dans ces conditions on trouve que la réflexion de l'onde électromagnétique plane s'annule lorsque :
Figure imgf000011_0001
(2) et
(3)
Figure imgf000011_0002
L'équation (2) se réduit à la condition bien connue %2 = n0n2 , valable pour les couches antireflets transparentes, lorsque ε" tend vers 0 et dans le cas de matériaux non magnétiques.
Une simple inspection de l'équation (3) permet de remarquer des points très importants :
Premièrement le fait que l'indice de réfraction n0 = [ε0 du milieu incident doit être supérieur à celui n2 - fJ, autrement l'épaisseur e-i serait négative. L'absorbance de la couche mince introduit donc une asymétrie dans le système.
- Deuxièmement, dans le cas d'un matériau fortement absorbant tel qu'un métal, l'épaisseur ei est très faible, de l'ordre du nanomètre. Cela n'est pas surprenant car la suppression de la réflexion résulte d'une interférence destructive entre les amplitudes de lumière réfléchies par les faces avant et arrière de la couche mince ; si cette dernière était trop épaisse, la lumière incidente sur une face serait complètement absorbée avant d'atteindre la face opposée, et cet effet interférentiel ne pourrait pas se produire.
Il est difficile de trouver un matériau satisfaisant la condition (2) car normalement ε-ι' est négatif. Toutefois, même si cette condition n'est pas satisfaite, la réflectivité est minimisée lorsque la condition (3) l'est. Un choix opportun de la longueur d'onde pourra éventuellement permettre d'approcher la condition (2).
A titre d'exemple on considère le cas d'une couche d'or déposée sur un substrat (milieu incident) en verre et en contact avec un milieu aqueux (milieu émergent), l'ensemble étant éclairée à une longueur d'onde λ à travers le milieu incident. Pour λ=488 nm on a ε0= 2,31 , ει '=- 1 ,8, ε =4,32, ε2=1 ,77. On choisit une épaisseur e-i=3 nm, ce qui est raisonnablement proche de la valeur idéale - 2,5 nm - calculée à l'aide de l'équation (3) pour λ=488 nm. Ensuite, on dépose sur la couche mince en or un objet constitué par un petit disque en matériau diélectrique avec un indice de réfraction
Figure imgf000012_0001
,208). La figure 1 montre le contraste avec lequel cet objet est observé, en fonction de son épaisseur e3, et pour plusieurs longueurs d'onde d'éclairage : 300 nm, 350 nm, 400 nm, 450 nm, 488 nm, 550 nm, 600 nm, 650 nm. On peut vérifier que, dans le cas λ=488 nm, pour des épaisseurs 63 inférieures à 20 nm le contraste est négatif (objet sombre sur fond clair) et sa valeur absolue croit d'environ 4% pour chaque nanomètre additionnel d'épaisseur. Etant donné qu'un contraste d'une part sur 10.000 (0,01 %) reste facilement observable, on comprend que la couche antireflet absorbante permet d'observer des objets d'épaisseur moyenne inférieure à 10 pm (un tel « objet » est constitué de molécules éparses sur la surface de la couche antireflet absorbante). La figure 1 montre que la longueur d'onde λ=488 nm optimise le contraste, mais l'observation est possible, avec un contraste satisfaisant, à d'autres longueurs d'onde.
Si le milieu incident ou le milieu émergent sont des milieux composites (par exemple si le milieu incident est une structure multicouches), les constantes diélectriques εο et ε2 peuvent être des constantes diélectriques effectives. Si le milieu incident et/ou le milieu émergent sont partiellement absorbants il faut remplacer ε0 et ε2 par les parties réelles de leurs constantes diélectriques complexes. Si l'on considère des matériaux magnétiques, il faut considérer les indices de réfraction au lieu des constantes diélectriques.
D'une manière générale, une couche très mince d'un matériau absorbant forme une couche antireflet lorsqu'elle est déposée sur un substrat transparent ou semi-transparent, éclairée à travers ce substrat et mise en contact avec un milieu émergent transparent, semi-transparent ou même turbide. Une telle couche peut annuler la réflexion ou présenter un minimum de réflectivité non nul. En tout cas, elle permet la formation d'images optiques à contraste élevé d'objets pouvant être très minces et transparents, tels que des couches moléculaires (on parle d'une « couche amplificatrice de contraste »). En pratique, pour une longueur d'onde d'éclairage et des milieux incident et émergent donnés, on pourra déterminer - au moyen d'un modèle analytique ou d'un calcul numérique - le premier minimum de réflectivité (c'est-à-dire à la plus faible épaisseur minimisant la réflectivité). L'épaisseur de la couche pourra coïncider avec ce minimum, ou s'en écarter volontairement comme cela sera expliqué plus loin. Plus avantageusement, on pourra minimiser la réflectivité par rapport à l'épaisseur e-i et à la longueur d'onde λ, ce qui peut être obtenu par des techniques numériques bien connues. Alternativement, on pourra se baser sur l'équation (2) en choisissant la longueur d'onde d'éclairage λ qui minimise (fj - λ/ε0ε2) , puis appliquer l'équation (3) pour déterminer ei .
Lorsqu'une telle couche mince est réalisée en matériau conducteur, tel qu'un métal, une telle configuration s'avère très bien adaptée à des applications électrochimiques, comme cela sera expliqué à l'aide de la figure 2A.
Cette figure, qui n'est pas à l'échelle, illustre un dispositif et un appareil selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif comprend une cellule fluidique, éventuellement microfluidique, CF, avec deux ports P1 , P2 permettant l'introduction et l'évacuation - éventuellement en continu, sous la forme d'une circulation - d'un fluide EL, qui peut notamment être un électrolyte. Dans la suite on considérera le cas où le fluide EL est un liquide transparent ; il peut cependant s'agir d'un liquide partiellement absorbant, voire turbide ou même d'un gaz. La cellule CF peut être complètement fermée ou partiellement ouverte, par exemple en sa partie supérieure.
Le fond de la cellule est formé par une paroi transparente PT, typiquement en verre, sur la face intérieure (c'est-à-dire en contact avec le liquide) de laquelle est déposée une couche mince métallique CMM. La paroi PT peut également être semi-transparente ; avantageusement, cette paroi et la couche mince CMM forment une fenêtre de transmittance supérieure ou égale à 30%, de préférence supérieure ou égale à 60% et de manière encore préférée supérieure ou égale à 80%.
Avantageusement, la paroi PT et la couche mince CMM peuvent constituer ou faire partie d'un ensemble amovible, destiné à être remplacé après avoir servi à l'étude d'une réaction électrochimique ou après une opération d'impression photo-électrochimique. Il s'agit alors d'un « consommable » de l'appareil de la figure 2A.
La paroi PT présente de préférence une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm, voire à 250 pm.
L'épaisseur de la couche CMM est choisie, en fonction des indices de réfraction du fluide EL et de la paroi PT de manière à réduire la réflectivité de la fenêtre par rapport au cas où elle serait absente. Par exemple, l'équation (3) peut être satisfaite au moins de manière approchée et pour une longueur d'onde λ dans le spectre visible, proche infrarouge ou proche ultraviolet. Dans ce cas, quel que soit le fluide EL, on aura :
Figure imgf000015_0001
correspondant au cas limite ε2=0. En outre, dans ce cas, l'indice de réfraction de la paroi PT doit être supérieur à celui du fluide EL. La couche mince métallique CMM constitue l'électrode de travail d'une cellule électrochimique formée à l'intérieur de la cellule fluidique CF ; cette cellule électrochimique comprend au moins une deuxième électrode (contre-électrode) et de préférence une troisième électrode (électrode de référence). Dans le mode de réalisation de la figure 2A, la contre-électrode CE est constituée par la pointe conductrice d'une sonde locale SLC d'un microscope à sonde locale MSL - te! qu'un microscope à force atomique ou à effet tunnel - balayant la surface de la couche CMM, selon les principes de la microscopie électrochimique à balayage. En variante (figure 2B) il pourrait s'agir d'une électrode planaire, fixée par exemple à une paroi supérieure de la cellule fluidique, en regard de l'électrode de travail CMM. L'électrode de référence ER a, dans ce mode de réalisation, la forme d'une aiguille immergée dans le fluide EL ; dans d'autres modes de réalisation il pourrait s'agir, par exemple, d'une pastille intégrée à la paroi PT mais isolée de l'électrode CMM. Le microscope à sonde locale MSL déplace la sonde SLC sur la surface de la couche CMM ; un potentiostat PS (qui, dans le mode de réalisation de la figure 2, est intégré au microscope MSL) ou un ampérostat maintient ladite sonde à un potentiel Vi, ladite couche à un potentiel V2 et l'électrode de référence à un potentiel VR et mesure le courant circulant entre ladite sonde et ladite couche. Typiquement, de manière connue en soi, on fixe le potentiel de l'électrode de référence ER et de la contre-électrode CE et on mesure le courant entre ladite contre- électrode et l'électrode de travail CMM, mais d'autres façons de procéder sont envisageables.
Un dispositif d'imagerie optique par réflexion tel qu'un microscope optique MO est agencé sur la face extérieure de la paroi transparente PT pour acquérir une image optique des réactions électrochimiques se déroulant sur la couche métallique CMM servant d'électrode de travail. En effet ces réactions altèrent ladite couche, ou la composition de l'électrolyte EL à son voisinage, que ce soit par corrosion, par dépôt électrochimique ou par d'autres réactions d'oxydoréduction ; ces altérations, même minimes, sont visualisées avec un contraste élevé grâce aux propriétés optiques de la couche CMM, discutées plus haut. A ce propos, il peut être intéressant de choisir une épaisseur de la couche CMM s'écartant volontairement du minimum de réflectivité de manière à avoir une variation quasi-linéaire de la réflectivité avec l'épaisseur. Par exemple, l'épaisseur de la couche peut correspondre avec l'épaisseur « nominale » minimisant la réflectivité avec une tolérance de ±10% voire ±30%, voire ±50%, ou même être comprise entre la moitié et le double de cette épaisseur nominale.
Dans l'exemple de la figure 2A, le microscope MO comprend une source de lumière SL générant un faisceau lumineux FL, un objectif OBJ focalisant ce faisceau sur la face arrière de la couche CMM et recueillant la lumière rétrodiffusée par cette dernière, un séparateur de faisceau LSF pour séparer la lumière dirigée vers la couche CMM et celle en provenant et un capteur d'image CIM. La lumière du faisceau FL peut être monochromatique ou polychromatique, spatialement cohérente ou incohérente, polarisée ou non polarisée.
La couche CMM peut éventuellement être fonctionnalisée, par exemple pour réaliser un capteur électrochimique, tel qu'un capteur de glucose. Dans ce cas, il conviendra de tenir compte de la présence d'une couche de fonctionnalisation lors du dimensionnement de l'épaisseur de la couche CMM et éventuellement de la longueur d'onde d'éclairage et observation λ ce qui, comme cela a été indiqué plus haut, pourra se faire de manière numérique à l'aide de la théorie générale des couches minces optiques.
L'appareil de la figure 2A peut être utilisé pour l'étude in-situ d'une réaction électrochimique. Par exemple, il peut permettre de corréler les courants électriques circulant dans les électrodes dans les conditions de tension appliquées et les modifications massiques de la couche CMM ou de son voisinage estimées à partir des observations optiques par réflexion. Cela permet notamment de contrôler la qualité ou l'avancement d'un processus électrochimique, par exemple de traitement de surface, de gravure, de dépôt, etc. et/ou d'en mesurer la cinétique. Il est également possible d'asservir un tel processus en modifiant les valeurs de tension des électrodes en fonction de l'observation optique.
Des couches intermédiaires peuvent être présentes entre la paroi PT et la couche mince métallique CMM. Par exemple, comme illustré sur la figure 3A, qui n'est pas à l'échelle, on peut prévoir une couche intermédiaire Cl relativement épaisse (de l'ordre de 200 nm, par exemple) en matériau conducteur transparent, permettant d'uniformiser la tension électrique de la couche CMM ; en effet, en raison de sa faible épaisseur, cette dernière présente une résistance électrique par unité de surface assez élevée, conduisant à une tension non uniforme lorsqu'elle est parcourue par un courant. Là encore, il faudra tenir compte de la présence éventuelle d'une ou plusieurs couches intermédiaires lors du dimensionnement de la couche mince métallique CMM.
La figure 3B illustre une autre variante de réalisation de l'invention, dans laquelle la couche CMM est implantée (par exemple par implantation ionique) dans la paroi PT, et se trouve dès lors quelques nanomètres au-dessous de la surface de cette dernière. On peut combiner les modes de réalisation des figures 3A et 3B, en implantant une couche absorbante et conductrice dans une couche plus épaisse en matériau conducteur transparent déposée sur une paroi par exemple en verre. Jusqu'à présent on a considéré uniquement le cas d'une couche CMM métallique. Cette contrainte peut toutefois être relâchée, et le métal être remplacé par tout autre conducteur absorbant convenant aux applications électrochimiques, par exemple le graphène ou un semi- conducteur fortement dopé (dégénéré), notamment le diamant dopé bore. Ce dernier matériau, en particulier, présente des propriétés intéressantes d'inertie chimique, dureté et conductivité, ainsi qu'un très bon état de surface. Il peut également s'agir d'une couche de nanoparticules, d'une couche d'un oxyde métallique ou en un polymère conducteur.
Le microscope optique MO peut être d'un type différent de celui illustré sur la figure 2A. Par exemple, il peut comprendre un polariseur et un analyseur croisés, ou plus généralement orientables, pour une observation en lumière polarisée. Il peut également s'agir d'un microscope à contraste interférentiel différentiel comportant deux prismes de Wollaston ainsi qu'un polariseur et un analyseur croisés.
L'appareil de la figure 2A comprend également un dispositif de projection optique DPO agencé pour projeter un motif lumineux sur ladite couche mince à travers ladite paroi. Ce dispositif comprend une deuxième source lumineuse SLP pour générer un faisceau lumineux de projection, un masque ou modulateur d'intensité optique MOI agencé sur le trajet dudit faisceau lumineux de projection pour définir ledit motif lumineux et un système optique SO formant avec l'objectif OBJ un système afocal. Un deuxième séparateur de faisceau LSFP permet de superposer le faisceau lumineux de projection au faisceau lumineux d'éclairage FL en amont de l'objectif OBJ.
Avantageusement, le faisceau lumineux de projection a une longueur d'onde (ou des longueurs d'onde) différente(s) de celle(s) utilisée(s) pour l'observation de la couche. Il n'est pas important que la condition de réduction de la réflectivité soit satisfaite pour la ou les longueurs d'onde utilisées pour la projection du motif lumineux.
Comme expliqué plus haut, l'éclairage par le motif lumineux permet de moduler spatialement la réactivité électrochimique de la surface de l'électrode CMM. Cela peut être exploité pour créer des couches minces structurées, absorbées ou greffées de façon covalente sur ladite électrode, la paroi PT servant de substrat. Pour ce faire on peut utiliser une contre- électrode plane et parallèle à la couche CMM (voir la figure 2B) ou, au contraire, une pointe balayant ladite couche. Dans ce deuxième cas, la structuration est obtenue à la fois électriquement et optiquement.
La couche structurée rapportée sur la surface de l'électrode CMM peut présenter des propriétés chimiques, électriques et/ou optiques différentes de celles de ladite électrode. Par la répétition d'étapes de croissance électrochimique contrôlée optiquement on peut construire des structures tridimensionnelles par étages, par exemple assurant des fonctions électroniques pour des applications microélectroniques.
L'observation simultanée à travers la paroi, au moyen du microscope MO, permet d'assurer le suivi de ce processus, voire son asservissement.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif électrochimique comprenant une cellule fluidique (CF) présentant un volume interne pouvant être rempli par un fluide (EL) ainsi qu'au moins une première (C M) et une deuxième (CE) électrode en contact avec ledit volume interne, caractérisé en ce qu'au moins ladite première électrode comprend une couche mince en matériau conducteur et optiquement absorbant à au moins une longueur d'onde λ dans le spectre visible, proche infrarouge ou proche ultraviolet, ladite couche mince étant agencée sur ou dans une surface interne d'une paroi (PT) de ladite cellule fluidique au moins partiellement transparente à ladite longueur d'onde λ, dans lequel ladite paroi forme, avec ladite couche mince, une fenêtre présentant., à ladite longueur d'onde λ, une transmittance supérieure ou égale à 30%.
2. Dispositif électrochimique selon la revendication 1 dans lequel ladite couche mince présente une épaisseur inférieure ou égale à 150 nm, de préférence inférieure ou égale à 40 nm et de manière encore préférée inférieure ou égale à 20 nm.
3. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite paroi forme, avec ladite couche mince, une fenêtre présentant, à ladite longueur d'onde λ, une transmittance supérieure ou égale à 60% et de manière préférée supérieure ou égale à 80%.
4. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite couche mince est réalisée en un matériau choisi parmi :
un métal ;
un semi-conducteur ;
le graphène ;
le diamant dopé bore ;
une couche de nanoparticules ; un oxyde métallique ;
un polymère conducteur.
5. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite couche mince est réalisée par implantation dans ladite paroi.
6. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins la partie de ladite paroi en contact direct avec ladite couche mince est réalisée en matériau conducteur transparent à ladite longueur d'onde λ.
7. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes comprenant une sonde de microscopie à sonde locale (SLC) dont une pointe conductrice constitue ladite deuxième électrode.
8. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel ladite deuxième électrode présente une surface plane agencée en regard de ladite couche mince parallèlement à cette dernière.
9. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite paroi portant ladite couche mince est amovible.
10. Dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes comprenant également une troisième électrode (ER), dite de référence, en contact avec ledit volume interne.
1 1 . Appareil électrochimique comprenant un dispositif électrochimique selon l'une des revendications précédentes, ainsi qu'un dispositif d'imagerie optique par réflexion (MO), agencé pour éclairer ladite couche mince à travers ladite paroi à au moins ladite longueur d'onde λ, et pour l'observer également à travers ladite paroi.
12. Appareil électrochimique selon la revendication 11 dans lequel ledit dispositif d'imagerie optique par réflexion comprend un microscope optique.
13. Appareil électrochimique selon l'une des revendications 1 1 ou 12 comprenant également un microscope à sonde locale (MSL) ayant une sonde locale (SLC), agencée pour balayer ladite couche mince, dont une pointe conductrice forme ladite deuxième électrode.
14. Appareil électrochimique selon l'une des revendications 1 1 à 13 comprenant également un potentiostat ou ampérostat connecté auxdites électrodes.
15. Appareil électrochimique selon l'une des revendications 1 1 à 14 dans lequel ledit volume interne contient un fluide au moins partiellement transparent à ladite longueur d'onde λ, l'épaisseur ei de ladite couche mince étant comprise entre la moitié et le double d'une épaisseur correspondant à un premier minimum de réflectivité lorsqu'elle est éclairée à ladite longueur d'onde λ à travers ladite paroi.
16. Appareil électrochimique selon la revendication 15 dans lequel, en outre, ledit dispositif d'imagerie optique par réflexion est adapté pour éclairer ladite couche mince à au moins une longueur d'onde λ minimisant la réflectivité en correspondance dudit premier minimum, avec une tolérance de plus ou moins 10% et de préférence de plus ou moins 5%.
17. Appareil électrochimique selon l'une des revendications
1 1 à 16 comprenant également un dispositif de projection optique (DPO) agencé pour projeter un motif lumineux sur ladite couche mince à travers ladite paroi.
18. Procédé d'étude in situ d'une réaction électrochimique comprenant les étapes suivantes :
appliquer une différence de potentiel entre deux électrodes d'un appareil éiectrochimique selon l'une des revendications 11 à 17, un fluide susceptible de provoquer une réaction électrochimique étant contenu dans ledit volume interne, moyennant quoi une dite réaction électrochimique se dérouie à la surface de ladite première électrode ; et
éclairer et observer ladite première électrode à travers ladite paroi au moyen dudit dispositif d'imagerie optique.
19. Procédé d'impression électrochimique comprenant les étapes suivantes :
appliquer une différence de potentiel entre ladite première et ladite deuxième électrode d'un appareil éiectrochimique selon la revendication 17, un fluide susceptible de provoquer une réaction de dépôt photo-électrochimique étant contenu dans ledit volume interne ;
simultanément, projeter un motif lumineux sur ladite couche mince à travers ladite paroi au moyen dudit dispositif de projection optique moyennant quoi une réaction de dépôt photo-électrochimique se déroule à la surface de ladite première électrode, contrôlée par l'éclairage local de ladite surface par ledit motif lumineux ; et
observer ladite première électrode à travers ladite paroi au moyen dudit dispositif d'imagerie optique.
20. Procédé d'impression électrochimique selon la revendication 19 dans lequel ledit dispositif de projection optique est utilisé pour projeter sur ladite couche mince un motif lumineu correspondant à une première longueur d'onde ou à un premier ensemble de longueurs d'onde et dans lequel ledit dispositif d'imagerie optique est utilisé pour éclairer ladite couche mince à au moins à ladite longueur d'onde λ, différente de ladite première longueur d'onde ou n'appartenant pas audit premier ensemble de longueurs d'onde.
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