FR2930839A1 - Procede de realisation d'un composant flexible a base de nanofils - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation d'un composant flexible sur un support de base, le composant comprenant une couche d'encapsulation dans laquelle sont disposés des nanofils orientés dans le sens de l'épaisseur de la couche d'encapsulation. Le procédé comprend a) la fourniture d'un support de croissance ; b) la croissance des nanofils sur la face avant du support de croissance ; c) l'encapsulation des nanofils dans une couche d'encapsulation en matériau flexible et électriquement isolant ; d) la formation des contacts électriques sur la face supérieure de la couche d'encapsulation, chaque contact électrique reliant électriquement au moins un nanofil ; e) la séparation du composant flexible et du support de croissance au niveau de l'interface entre la face inférieure du composant flexible et la face avant du support de croissance par application d'une contrainte sur le support de croissance ; f) la fixation du composant flexible sur la surface d'un support de base par collage de la face inférieure du composant sur la surface du support de base.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN COMPOSANT FLEXIBLE A BASE DE NANOFILS
DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à un procédé de réalisation d'un composant flexible à base de nanofils sur un support déterminé. Le composant ainsi réalisé peut être utilisé dans des capteurs photovoltaïques, 10 des émetteurs ou des capteurs de lumière, ou plus généralement dans n'importe quel composant électronique à base de nanofils. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE 15 Depuis quelques années, un grand intérêt est porté aux composants électroniques comportant des nanofils. En effet, le développement de tels composants est un enjeu important dans de nombreux domaines tels que l'imagerie, la microélectronique, l'éclairage et le 20 photovoltaïque, car les composants à base de nanofils sont plus petits et plus rapides. On rappelle que les nanofils peuvent être assimilés à des colonnes dont le diamètre est inférieur au micromètre (typiquement de 10 nm à 500 nm). 25 Nous nous intéressons en particulier aux composants dont les nanofils sont orientés verticalement par rapport au substrat support et sont encapsulés dans une couche de planarisant flexible. Le document [1], référencé à la fin de 30 cette description, décrit un procédé particulièrement intéressant qui permet de former des émetteurs de type LED à base de nanofils verticaux de ZnO sur un substrat flexible organique. Dans ce procédé de l'art antérieur, la croissance des nanofils d'oxyde de zinc ZnO est réalisée par électrodéposition en phase aqueuse à 80°C sur une feuille de polyéthylène (PET) recouverte d'un film d'ITO (Indium Tin Oxyde). Les nanofils de ZnO sont ensuite encapsulés dans un film de polystyrène (planarisant), puis recouverts d'une couche électriquement conductrice en or pour réaliser les contacts supérieurs du composant. Ce procédé de réalisation est intéressant car il permet de réaliser des LED sur un substrat flexible. Cependant, ce procédé est limité à la réalisation de nanofils dont la température de croissance est inférieure à la température de détérioration du substrat support.
En l'occurrence, le procédé décrit dans le document [1] est limité aux basses températures (environ 100°C) du fait de la présence du substrat organique (PET). Or, pour de nombreux nanofils, les températures de croissance atteignent plusieurs centaines de degrés. Par ailleurs, le substrat support choisi doit pouvoir résister aux conditions de fonctionnement du composant. Par exemple, dans le cas particulier des composants LED, le substrat support choisi doit pouvoir supporter la chaleur dégagée lors du fonctionnement des LED. En effet, suivant leur puissance d'éclairage, les LED génèrent des calories qui peuvent provoquer un vieillissement accéléré du composant, si le substrat support n'est pas adapté au niveau de sa tenue en température.
Le but des inventeurs a donc été d'élaborer un procédé permettant de réaliser un composant flexible à base de nanofils ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus. En particulier, les inventeurs ont cherché à obtenir un procédé de réalisation d'un composant à base de nanofils pouvant être supporté par n'importe quel substrat support. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but est atteint par un procédé de réalisation d'un composant flexible sur un support de base, le composant flexible comprenant une couche d'encapsulation dans laquelle sont disposés des nanofils orientés dans le sens de l'épaisseur de la couche d'encapsulation, les extrémités inférieures des nanofils étant en contact avec la surface du support de base et les extrémités supérieures des nanofils étant en contact avec des contacts électriques situés sur la face supérieure de la couche d'encapsulation, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) fourniture d'un support de croissance, b) croissance des nanofils sur la face avant du support de croissance, les nanofils étant en un matériau semi-conducteur, c) encapsulation des nanofils dans une couche d'encapsulation en matériau flexible et électriquement isolant, d) formation des contacts électriques sur la face supérieure de la couche d'encapsulation, chaque contact électrique reliant électriquement au moins un nanof il, e) séparation du composant flexible et du support de croissance au niveau de l'interface entre la face inférieure du composant flexible et la face avant du support de croissance par application d'une contrainte sur le support de croissance, f) fixation du composant flexible sur la surface d'un support de base par collage de la face inférieure du composant sur la surface du support de base. La solution proposée ici consiste à 15 réaliser le composant flexible sur un support de croissance (de préférence un substrat) et à reporter le composant ainsi réalisé sur un support (appelé ici support de base pour le distinguer du support de croissance) ayant les caractéristiques voulues, à 20 savoir un support en un matériau particulier, un support ayant une grande flexibilité, une bonne tenue en température et/ou un relief marqué en surface. On précise que les nanofils sont mis à croitre sur le support de croissance selon une 25 orientation privilégiée de manière à ce que la majorité des nanofils obtenus soient essentiellement perpendiculaires à la surface du support de croissance. Les nanofils sont réalisés par épitaxie par jets moléculaires, par dépôt en phase vapeur par 30 procédé chimique organométallique (MOCVD) ou encore par électrodéposition sur le substrat de croissance. 10 Les nanofils sont en un matériau semi-conducteur. Il peut s'agir de silicium, de GaN, de ZnO ou tout autre composé semi-conducteur du type III-V, II-VI...
Avantageusement, le procédé de réalisation, comprend en outre, après l'étape e) de séparation du composant flexible et du support de croissance et avant l'étape f) de fixation du composant flexible, une étape i) de formation d'au moins un contact électrique sur au moins un nanofil sur la face inférieure de la couche d'encapsulation. Préférentiellement, le procédé de réalisation, comprend en outre, après l'étape i) de formation d'au moins un contact électrique et avant l'étape f) de fixation du composant flexible, une étape j) de formation d'une couche électriquement conductrice sur la face inférieure de la couche d'encapsulation, ladite couche électriquement conductrice recouvrant ledit au moins un nanofil obtenu à l'étape i).
Avantageusement, le procédé de réalisation comprend en outre, après l'étape c) d'encapsulation et avant l'étape d) de formation des contacts électrique, une étape de gravure de la face supérieure de la couche d'encapsulation pour dégager les extrémités supérieures des nanofils. Le dégagement du haut des extrémités supérieures des nanofils peut être obtenu en effectuant une gravure sèche ou humide, par exemple une gravure RIE (Reactive Ion Etching), ou un polissage mécano-chimique. La gravure devra être choisie en fonction du matériau de la couche d'encapsulation et du matériau des nanofils.
Avantageusement, le procédé de réalisation comprend en outre, après l'étape a) de fourniture d'un substrat de croissance et avant l'étape b) de croissance des nanofils, une étape de formation d'une couche en matériau électriquement conducteur sur la face avant du support de croissance. Cette couche en matériau électriquement conducteur peut permettre d'améliorer la formation des nanofils sur le substrat de croissance (par exemple, si les nanofils sont formés par épitaxie, la couche en matériau électriquement conducteur peut être choisie de manière à favoriser la nucléation des nanofils). Avantageusement, la formation des contacts électriques est obtenue par dépôt d'une couche en matériau électriquement conducteur sur la couche d'encapsulation et par gravure de cette couche selon des motifs déterminés. Le matériau électriquement conducteur de la couche destinée à former les contacts électriques peut être choisi parmi les conducteurs métalliques, par exemple les matériaux en multicouches ou sous forme d'alliages métalliques Ti-Au, Ti-Al, Ti-TiN, Ti-W ou parmi les conducteurs non métalliques tels que ITO, ZnO ou encore parmi les polymères conducteurs. La gravure de cette couche est une gravure sèche ou humide. Selon un mode de réalisation particulier, la contrainte appliquée sur le support de croissance dans l'étape e) de séparation résulte de l'application d'ultra-sons sur le support de croissance.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la contrainte appliquée sur le support de croissance résulte de l'application d'une couche fortement contrainte en compression sur la face arrière du support de croissance. Dans ce cas, la courbure de la couche fortement contrainte en compression est transmise au substrat de croissance sous-jacent et provoque une délamination au niveau de l'interface entre le substrat de croissance et le composant flexible. La séparation du composant flexible d'avec le support de croissance est facilitée par le fait que les nanofils présentent souvent une adhérence médiocre sur le support de croissance. En effet, l'adhérence des nanofils est souvent relativement faible du fait que la nucléation est plus ou moins difficile selon le support de croissance utilisé. L'accrochage des nanofils est donc fragile et sensible au décollement ou à la rupture. Dans le procédé selon l'invention, le composant se détache du support de croissance par l'application d'une contrainte sur le support de croissance, cette contrainte étant extérieure ou intrinsèque au support de croissance. Avantageusement, le support de base est un support flexible, par exemple un substrat flexible tel qu'une feuille de polymère ou une feuille métallique.
On précise que dans le texte de cette demande, un élément flexible (composé flexible, support flexible...) est un élément qui peut présenter des rayons de courbures et qui, par conséquent, peut être fléchi. Le support de base peut ainsi être un support pouvant être plié (comme la surface d'un vêtement, par exemple).
Avantageusement, le support de base comporte au moins une portion de surface courbe (c'est-à-dire non plane) sur la face destinée à supporter le composant. Il peut s'agir par exemple d'un support comportant au moins une portion de surface rigide et courbe. Le support de base peut ainsi être un support rigide comportant une surface courbe (par exemple, la surface d'un verre). Avantageusement, le matériau de la couche d'encapsulation est choisi parmi un polymère du type BCB, polyimide, PTFE, SiLK..., un composé minéral flexible tel qu'un oxyde dopé ou non, ou un composé organo minéral tel que le Spin on Glass (SOG). Avantageusement, la couche d'encapsulation a une épaisseur inférieure à la hauteur des nanofils. On rappelle que les nanofils ont généralement une hauteur comprise entre 500 nm et 10 pm, préférentiellement entre 500 nm et 3 pm.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - les figures 1A à 1G représentent les étapes du procédé de réalisation selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une étape 30 particulière du procédé de réalisation selon l'invention, - la figure 3 représente une étape particulière du procédé de réalisation selon l'invention, - les figures 4A à 4C représentent les 5 étapes du procédé de réalisation selon un autre mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous allons à présent décrire en détail un 10 mode de réalisation d'un composant flexible utilisant le procédé de réalisation selon l'invention. Tout d'abord, on choisit un support de croissance S2 adéquat en fonction du matériau des nanofils 1 que l'on souhaite obtenir. 15 Le choix du support de croissance S2 doit pouvoir permettre la croissance des nanofils 1 sur sa surface et doit pouvoir résister aux températures atteintes au cours de la croissance de ces nanofils. Dans cet exemple, on réalise des nanofils 1 20 en GaN sur un support de croissance S2 qui est un substrat en silicium (figure 1A). Les nanofils peuvent être en tout matériau semi-conducteur, par exemple en silicium, en GaN, en ZnO ou en un composé de type III-V ou II-VI. Des 25 nanofils en matériaux de la famille II-VI peuvent par exemple être réalisés sur un substrat de saphir ou de silicium. Par exemple, des nanofils en ZnO peuvent être réalisés sur un support de croissance S2, qui est un substrat en saphir. 30 Les nanofils 1 sont mis à croitre sur le support de croissance S2 par épitaxie par OMCVD (dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs organométalliques). Les méthodes de croissance des nanofils sur un support de croissance sont connues de l'homme du métier. Les méthodes de croissance peuvent être une épitaxie par jets moléculaires, un dépôt en phase vapeur par procédé chimique organométallique (MOCVD) ou encore une électrodéposition.
Une fois que les nanofils sont obtenus, on les encapsule dans un matériau flexible et électriquement isolant, c'est-à-dire qu'on remplit les interstices entre les nanofils avec ce matériau. Dans notre exemple, les nanofils 1 sont recouverts d'un planarisant. Ce planarisant peut être un polymère, par exemple du type BCB, polyimide, PTFE, PFCB, SiLK... (figure 1B). Le planarisant peut également être un composé minéral à condition qu'il soit flexible. Par exemple, il peut s'agir d'oxydes non dopés (par exemple un Spin on glass) ou dopés (par exemple un Spin On Dopant, SOD). Ce planarisant comble tous les espaces entre les nanofils et permet d'obtenir la flexibilité et la souplesse mécanique du composé final.
La surface de la couche d'encapsulation 2 peut éventuellement être aplanie de manière à éliminer le surplus de matériau électriquement isolant se trouvant au-dessus des nanofils afin de dégager le haut des nanofils.
Si nécessaire, on réalise une gravure sèche ou humide, par exemple une gravure RIE, de la couche d'encapsulation 2 afin de dégager de manière plus importante les extrémités des nanofils 1 sur la face supérieure de la couche d'encapsulation (figure 1C). Ensuite, on réalise des contacts électriques 3 sur la face supérieure de la couche d'encapsulation 2. Pour cela, on dépose une couche en matériau électriquement conducteur sur la couche d'encapsulation pour recouvrir les nanofils et cette couche est gravée selon des motifs (figure 1D). Les motifs sont tels qu'ils permettent d'établir un contact électrique sur un nanofil et/ou de relier électriquement deux ou plusieurs nanofils entre eux. Le matériau électriquement conducteur choisi pour réaliser les contacts électriques 3 peut être un métal, un alliage ou un empilement de métaux (par exemple un alliage Ti-Au, Ti-Al, Ti-TiN, Ti-W...), un matériau conducteur non métallique tel que ITO, ZnO ou un polymère conducteur. Le composant flexible 10 à base de nanofils est alors terminé et il ne reste plus qu'à le transférer sur le support final (support de base). Le support de base S1 peut avoir des propriétés de flexibilité/souplesse supérieures à celle du support de croissance S2 et/ou être inadapté à la croissance des nanofils et/ou posséder un relief en surface rendant difficile la croissance des nanofils à sa surface et/ou posséder des propriétés physiques différentes (électriques, thermiques). Le report du composant flexible 10 sur le support de base S1 commence par la séparation du composant 10 de son support de croissance S2.
La séparation du composé flexible 10 et du support de croissance S2 est obtenue par rupture mécanique sous l'effet d'une contrainte. Cette séparation peut être obtenue par l'application, par exemple, d'ultra-sons au niveau de l'interface entre le composant flexible 10 et le support de croissance S2 (figure 1E). Dans la figure 1E, les ultra-sons sont représentés par les deux flèches en zigzag.
La séparation peut également être obtenue par l'application d'une contrainte uniquement sur le support de croissance S2, par exemple en déposant une couche fortement contrainte en compression 4 sur la face arrière du support de croissance S2. Dans la figure 2, nous avons représenté la séparation du composant flexible de son support de croissance suite à l'application d'une couche 4 de nitrure de silicium ou d'une couche de tungstène par dépôt LPCVD sur la face arrière du support de croissance S2. La contrainte en compression de la couche 4 appliquée sur la face arrière du support de croissance S2 est intrinsèque à la couche déposée sur le support de croissance S2. Enfin, le composant flexible 10 est reporté sur le support de base S1, qui constitue le support de réception final (figure 1F). La fixation du composant flexible sur le support de base peut être obtenue par collage métallique, collage moléculaire... Le support de base S1 peut être de matériau, de forme, d'épaisseur et/ou de souplesse différentes du support de croissance S2 d'origine.
On obtient alors un composant flexible 10 disposé sur un support de base S1 selon l'invention (figure 1G). Il est à noter qu'il est possible, avant de procéder au détachement du composant flexible de son support de croissance S2, de fixer le composant flexible 10 sur une platine 5 (par exemple une platine aspirante ou adhésive) pour maintenir mécaniquement l'intégrité du composant flexible à décoller (figure 3). Cela est particulièrement avantageux lorsque le composant flexible est fragile. Dans ce cas, l'adhésion sur la platine 5 se fait par l'intermédiaire de la face supérieure du composant flexible 10 (le côté où se trouvent les contacts électriques 3). Pour faciliter la tenue mécanique du composant flexible 10 sur la platine 5, il peut être avantageux de procéder à une planarisation de la surface des contacts électriques 3 du composant flexible 10, préalablement à l'adhésion sur la platine.
Les étapes du procédé de réalisation selon l'invention décrites ci-dessus peuvent être mises en oeuvre pour réaliser des LEDs sur un support de base flexible. Selon un mode de réalisation, on réalise un composant flexible 10 comportant un champ de diodes électro-luminescentes à base de nanofils 1 (figure 4A) en : - faisant croître des nanofils 1 de ZnO dopés sur un substrat de saphir (support de croissance S2) ; - en déposant une couche de polymère planarisant ou de diélectrique minéral (par exemple SiO2) entre les nanofils (formation de la couche d'encapsulation 2) ; - en réalisant des contacts électriquement conducteurs 3 transparents en ITO, en ZnO ou en polymère sur la couche d'encapsulation 2, chaque contact 3 reliant électriquement un ou plusieurs nanofils 1 entre eux. Puis on sépare le composant flexible 10 du substrat de saphir (support de croissance S2) (figure 4B) et on reporte le composant flexible 10 sur un autre support (le support de base Si) (figure 4C). Le support de base S1 peut être un support flexible, par exemple un écran souple de polycarbonate, comme illustré dans la figure 4C (la double flèche incurvée symbolise la courbure du support flexible). Le support de base S1 peut également être un support sur lequel la croissance des nanofils est difficile ou un support présentant des propriétés physiques intéressantes. Par exemple, dans le cas d'un composant à LED d'éclairage de puissance, il peut être avantageux de disposer le composant sur un substrat métallique, par exemple en cuivre. En effet, le cuivre a l'avantage d'avoir un fort pouvoir de dissipation thermique, ce qui permet d'assurer le refroidissement du composant.
Le procédé selon l'invention est particulièrement avantageux. En détachant le composant flexible du support de croissance, on obtient un composant finalisé qui peut être directement appliqué sur un support de base déterminé. On a ainsi un composant flexible à base de nanofils, de quelques micromètres d'épaisseur et déjà opérationnel avant même son report sur le support de destination (support de base).
L'intérêt de l'invention est que le composant flexible à base de nanofils peut être appliqué sur n'importe quel support. Par exemple, le composant flexible peut être reporté sur des supports flexibles aussi variés que des textiles, des papiers, des écrans souples... On peut ainsi réaliser, comme décrit ci-dessus, des LED d'affichage sur un support souple ou flexible. On peut donc utiliser le procédé selon l'invention pour réaliser des textiles lumineux, des textiles à capteurs solaires.
Le procédé selon l'invention peut s'appliquer aux domaines de la microélectronique ou de l'optoélectronique. Il permet de réaliser des capteurs photovoltaïques, des émetteurs et des capteurs de lumière et autres composants électroniques à base de nanofils de matériaux conducteurs ou semi-conducteurs. Le procédé selon l'invention permet également de reporter un composant à base de nanofils sur d'autres composants électroniques ou optiques lors de processus d'hybridation ou d'empilement en trois dimensions afin de rajouter des fonctions auxdits composants électroniques ou optiques.
Ainsi, le procédé selon l'invention peut être utilisé dans des domaines aussi variés que l'imagerie (par exemple dans les écrans souples, les écrans non plans_), la téléphonie... et être utilisé dans les appareils électroniques mobiles, dans l'éclairage domestique ou automobile...
BIBLIOGRAPHIE
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Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un composant flexible (10) sur un support de base (Si), le composant flexible (10) comprenant une couche d'encapsulation (2) dans laquelle sont disposés des nanofils (1) orientés dans le sens de l'épaisseur de la couche d'encapsulation (2), les extrémités inférieures des nanofils (1) étant en contact avec la surface du support de base (Si) et les extrémités supérieures des nanofils (1) étant en contact avec des contacts électriques (3) situés sur la face supérieure de la couche d'encapsulation (2), le procédé comprenant les étapes suivantes . a) fourniture d'un support de croissance (S2), b) croissance des nanofils (1) sur la face avant du support de croissance (S2), les nanofils étant en un matériau électriquement semi-conducteur, c) encapsulation des nanofils (1) dans une couche d'encapsulation (2) en matériau flexible et électriquement isolant, d) formation des contacts électriques (3) sur la face supérieure de la couche d'encapsulation (2), chaque contact électrique reliant électriquement au moins un nanofil (1), e) séparation du composant flexible (10) et du support de croissance (S2) au niveau de l'interface entre la face inférieure du composant flexible (10) et la face avant du support de croissance (S2) parapplication d'une contrainte sur le support de croissance (S2), f) fixation du composant flexible (10) sur la surface d'un support de base (Si) par collage de la face inférieure du composant flexible sur la surface du support de base S1.
  2. 2. Procédé de réalisation selon la revendication 1, comprenant en outre, après l'étape e) de séparation du composant flexible (10) et du support de croissance (S2) et avant l'étape f) de fixation du composant flexible (10), une étape i) de formation d'au moins un contact électrique sur au moins un nanofil sur la face inférieure de la couche d'encapsulation.
  3. 3. Procédé de réalisation selon la revendication 2, comprenant en outre, après l'étape i) de formation d'au moins un contact électrique et avant l'étape f) de fixation du composant flexible (10), une étape j) de formation d'une couche électriquement conductrice sur la face inférieure de la couche d'encapsulation, ladite couche électriquement conductrice recouvrant ledit au moins un nanofil obtenu à l'étape i).
  4. 4. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre, après l'étape c) d'encapsulation et avant l'étape d) de formation des contacts électrique, une étape de gravure de la face supérieure de la couched'encapsulation (2) pour dégager les extrémités supérieures des nanofils (1).
  5. 5. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre, après l'étape a) de fourniture d'un support de croissance (S2) et avant l'étape b) de croissance des nanofils, une étape de formation d'une couche en matériau électriquement conducteur sur la face avant du support de croissance (S2).
  6. 6. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel la formation des contacts électriques (3) est obtenue par dépôt d'une couche en matériau électriquement conducteur sur la couche d'encapsulation (2) et par gravure de cette couche selon des motifs déterminés.
  7. 7. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel la contrainte appliquée sur le support de croissance (S2) dans l'étape e) de séparation résulte de l'application d'ultra-sons sur le support de croissance (S2).
  8. 8. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel la contrainte appliquée sur le support de croissance (S2) résulte de l'application d'une couche fortement contrainte en compression (4) sur la face arrière du support de croissance (S2). 5 10 15
  9. 9. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel le support de base (Si) est un support flexible.
  10. 10. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel le support de base (Si) comporte au moins une portion de surface courbe sur la face destinée à supporter le composant.
  11. 11. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel le matériau de la couche d'encapsulation (2) est choisi parmi un polymère du type BCB, polyimide, PTFE, SiLK... ou un composé minéral flexible tel qu'un oxyde dopé ou non.
  12. 12. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel la couche d'encapsulation (2) a une épaisseur inférieure à la hauteur des nanofils.
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