Elaboration par stéréolithographie de métamatériaux tout diélectrique pour le domaine du térahertz

par Cyrielle Dupas

Thèse de doctorat en Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Sous la direction de Thierry Chartier et de Sophie Guillemet.

Le président du jury était Fabrice Rossignol.

Le jury était composé de Pierre-Marie Geffroy, Eric Akmansoy, Pascal Dufour.

Les rapporteurs étaient Mario Maglione, Cécile Autret.


  • Résumé

    L’ANR Terametadiel a pour but de concevoir, fabriquer et caractériser un dispositif à base de métamatériaux tout diélectriques fonctionnant à 10GHz et un autre, fonctionnant à 0,35THz. Le but est de démontrer l'existence d’un indice de réfraction négatif avec de tels dispositifs, en se servant de technologies céramiques de pointe pour un contrôle dimensionnel rigoureux. Les travaux de thèse ont été structurés autour des matériaux diélectriques et du procédé de fabrication additive céramique utilisé : la stéréolithographie.La stéréolithographie utilise la polymérisation UV initiée par un laser UV pour élaborer couche par couche une pièce céramique en 3D. Les taux de conversion des monomères sont évalués grâce à différentes techniques de spectroscopie qui ont été mises en places au laboratoire, et qui sont comparées (FTIR et Raman). Une deuxième partie est consacrée à la synthèse et aux caractérisations structurales, microstructurales et électriques des matériaux diélectriques d’intérêt pour la conception de métamatériaux : le SrTiO3 et le BaxSr(1-x)TiO3 (BST). Les propriétés électriques obtenues en fonction de différentes méthodes de mises en forme des échantillons sont discutées à moyenne fréquence (1kHz) et au THz pour le SrTiO3. Pour pouvoir utiliser les poudres diélectriques synthétisées avec le procédé de stéréolihtographie, nous avons dû les adapter. Plusieurs procédés d’enrobage ont été envisagés et leurs résultats sont présentés, sans réussir à apporter de modification significative de l’absorption. D'autres procédés et matériaux sont envisagés pour la suite des travaux.

  • Titre traduit

    3D THz all-dielectric metamaterial ceramic from stereolithography


  • Résumé

    This work aims to design, to fabricate and to characterize all-dielectricmetamaterials relying on Mie resonance of high-permittivity ceramic resonators, to be able to control the propagation of terahertz waves. As artificial components, metameterials canexhibit electromagnetic properties that are apparently unreachable. The aim of our work is focused on two steps of the metamaterial elaboration : the synthesis of ceramic dielectric powders by co-precipitation and the construction of a three-dimensional metamaterial produced by stereolithography process. The ceramic dielectric materials must present ahigh permittivity and few losses. The dielectric ceramics SrTiO3 (ST) and BaxSr(1-x)TiO3 (BST) are identified as eventual materials for the elaboration of metamaterial. The co-precipitation via the oxalic route leads to produce a high purity ceramic powder with homogeneous particle size and composition. Stereolithography is a 3D additive manufacturing process that makes it possible the elaboration of complex architectures of ceramic parts with a high resolution, thanks to a layer by layer procedure and a local photopolymerisation of ceramic paste with a UV laser beam. The ceramic system consists in a suspension of ceramic particles in oligomers/monomers with a photoinitiator.The composition of these suspensions requires suitable rheological properties to obtain a homogenous thin film deposition, photo-reactivity properties to UV light to obtain good mechanical properties of the ceramic part after curing and high dimensional resolution.

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