Couches poreuses de silice structurées par des latex : structure, propriétés mécaniques et applications optiques

par François Guillemot

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Thierry Gacoin et de Etienne Barthel.

Soutenue en 2010

à Palaiseau, Ecole polytechnique .


  • Résumé

    En français : Les couches minces à bas indice de réfraction présentent un intérêt important pour ajuster les propriétés optiques de certains dispositifs, par exemple leur réflectivité. Les couches sol-gel mésoporeuses de silice préparées par auto-assemblage de tensioactif ont été l'objet de nombreuses études mais présentent un indice de réfraction très peu stable puisqu'elles peuvent être le lieu de condensation capillaire d'eau atmosphérique. Pour dépasser ce problème, nous avons préparé des couches sol-gel poreuses de silice, structurées par des latex synthétisés spécifiquement, avec des tailles de pores supérieures à 30 nm, pour lesquelles la condensation capillaire n'a pas lieu. Ces couches ne présentent pas de microporosité dans les murs de silice, ce qui permet d'ajuster indépendamment et précisément la taille des pores, leur fraction volumique ainsi que leur chimie de surface. L'accessibilité des pores en fonction de leur taille et de la fraction poreuse a été étudiée par ellipsométrie-porosimétrie et par annihilation de positons. Une transition de percolation entre une porosité ouverte et fermée a été observée lorsque l'on fait décroître la fraction poreuse. Les propriétés mécaniques des couches ont été étudiées par nanoindentation : nous avons montré que module d'Young et dureté suivent un modèle de surface solide minimale. Le caractère modèle des propriétés structurales et mécaniques des couches ainsi préparées nous permet d'envisager une optimisation des propriétés du matériau. Ces couches poreuses avec un indice de réfraction très stable et ajustable sur une large gamme (de 1,10 à 1,45) sont ainsi très prometteuses pour des applications optiques

  • Titre traduit

    Porous silica films templated by a latex : structure, mechanical properties and optical applications


  • Résumé

    En anglais : Thin films with low-refractive index are of great interest to adjust the optical properties of optical components, e. G. Reflectivity. In this respect, mesoporous sol-gel silica films prepared by surfactant self-assembly have been extensively studied but show poor refractive index stability as capillary condensation of atmospheric water can occur in the pores. To tackle this issue, we successfully prepared sol-gel porous silica films, templated by custom-made latex, with pore size above 30 nm insensitive to capillary condensation. The absence of significant microporosity in the silica walls allows us to independently and accurately tailor pore size, volume fraction and surface chemistry. Pore structure as a function of pore size and porous fraction was assessed by ellipsometry-porosimetry and positron annihilation: a percolation transition of the pore network at decreasing volume fraction was shown. The position of the pore occlusion threshold is interpreted in the scope of a continuum percolation model. Mechanical properties were investigated with nanoindentation: Young's modulus and hardness were shown to follow a minimal area model with porous fraction while no effect of pore size was measured. The model behavior observed both for pore structure and mechanical properties opens the way to further optimization of the properties of the porous material. These new films show very stable low refractive index, especially when the porosity is closed. As their refractive index can be tuned in a large range (from 1. 15 to 1. 40 at 600 nm), they appear as very promising for optical applications.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ( 176 p.)
  • Annexes : Bibliographies en fin de chapitres. 296 ref.

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