Solid-state wetting on nanopatterned substrates
Mouillage à lʼétat solide sur les substrats nano-patternés
Résumé
We review some recent results on the morphology of heteroepitaxial overlayers deposited on nanopatterned substrate surfaces. We mainly focus on modeling based on kinetic Monte Carlo (KMC) simulations. On arrays of parallel grooves or arrays of pillars, we find three main classes of states similar to those known for liquids: (i) Cassie–Baxter states, where solid islands sit on top of the substrate structure; (ii) Wenzel states, where solid islands are in contact with the bottom of the substrate; and (iii) solid imbibition (also denoted as capillary filling for parallel grooves), where the solid forms a film in the substrate surface structure. This multi-stability is controlled by the wettability parameter χ, and shape transitions exhibit hysteresis. We discuss the dynamics of the collapse of a Cassie–Baxter to Wenzel state, and the collapse of the Wenzel state to an imbibition film. We also discuss the possibility to grow crystals in the CB state on nanopatterned substrates. During growth, the crystals formed in CB state merge, leading to a continuous polycrystalline overlayer where the size of the grains is controlled by the distance between pillars.
Nous résumons quelques résultats récents sur la morphologie de couches hététoépitaxiées sur des substrats patternés. Nous nous focalisons sur la modélisation par simulations Monte Carlo cinétique. Sur des réseaux de tranchées parallèles, nous trouvons trois états principaux analogues à ceux connus pour les liquides : (i) les états de Cassie–Baxter, dans lesques les îlots solides restent au sommet des structures du substrat ; (ii) les états de Wenzel, dans lesquels les îlots sont en contact avec le fond des structures ; (iii) les états dʼimbibition, où le solide forme un film dans la structure de la surface du substrat. Cette multistabilité est controlée par le paramètre de mouillabilité χ, et les transitions de forme présentent de lʼhystérésis. Nous discutons la dynamique de collapse de lʼétat de Cassie–Baxter vers lʼétat de Wenzel, et de ce dernier vers lʼétat dʼimbibition. Pendant la croissance, les cristaux formés dans lʼétat de Cassie–Baxter se rejoignent pour former une surcouche continue, dont la taille des grains est contrôlée par la distance entre les piliers.