Direct laser writing of polymeric and metallic nanostructures via optically induced local thermal effect

par Quang Cong Tong

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ngoc Diep Lai.

Le président du jury était Marc Brunel.

Le jury était composé de Ngoc Diep Lai, Marc Brunel, Laurent Coolen, Olivier Soppera, Bernard Journet, Isabelle Ledoux-Rak.

Les rapporteurs étaient Laurent Coolen, Olivier Soppera.

  • Titre traduit

    Étude théorique et réalisation de nanostructures polymères et métalliques par l'écriture directe du point chaud induit optiquement.


  • Résumé

    Ce travail consiste à l’utilisation de la technique d'écriture directe par laser par absorption à un photon pour fabriquer des nanostructures polymères et métalliques en vue d’applications en photonique et en plasmonique. Il est démontré que la température du matériau est augmentée localement et temporellement grâce à une excitation locale d’un laser continu dont la longueur d’onde se situe dans la bande d’absorption du matériau. Un modèle théorique simple a été étudié pour expliquer l'effet photothermique local et temporel, qui est déterminé par le spot de focalisation du système d'écriture directe par laser. En utilisant une résine photosensible positive, il a été démontré que les structures photoniques 1D et 2D peuvent être réalisées avec une taille aussi petite que 57 nm et avec une périodicité aussi courte que 300 nm, ce qui sont beaucoup plus petites par rapport à la limite de diffraction du système optique utilisé. Les structures photoniques 3D ont également été fabriqués pour la première fois avec une photorésine positive, permettant d’envisager de nombreuses nouvelles applications. Les structures polymères fabriquées ont été démontrés très utiles pour obtenir des nanostructures plasmoniques par soit une combinaison de la méthode d’évaporation thermique d'un film d'or et le procédé lift-off, ou par une combinaison de la méthode de pulvérisation cathodique d'une couche d'or et la méthode de recuit thermique. Les nanostructures d'or fabriquées ont été caractérisées expérimentalement et leurs propriétés optiques ont été théoriquement confirmées par des calculs FDTD. En outre, il a été démontré que les nanostructures d'or, avec les tailles et formes contrôlables, peut être réalisées en une seule étape par la technique d’écriture directe par laser grâce à l'effet thermique optiquement induit. Certaines applications de ces nanostructures métalliques sont proposées et étudiés, par exemple, le capteur d'indice de réfraction, le stockage des données et l'impression couleur.


  • Résumé

    This work focuses on the investigation of direct laser writing technique for fabrication of desired nanostructures on positive photoresist and metallic materials. The photothermal and photochemical processes deriving from one-photon absorption mechanism, which occurs when materials are excited by a green continuous-wave laser, enabled a scalable and practical approach for producing nanostructures on demand. A simple heat model was proposed to explain the local and temporal thermal effect, induced by a tiny focusing spot of the direct laser writing system. Using a positive photoresist, it was demonstrated that 1D and 2D photonic structures can be realized with a feature size as small as 57 nm and with a periodicity as short as 300 nm, which are much smaller than the diffraction limit of the used optical system. 3D photonic structures were also fabricated for the first time with a positive photoresist, paving the way to numerous applications. The fabricated polymeric structures have been demonstrated as excellent templates to obtain plasmonic nanostructures by a combination of thermal evaporation of gold film and lift-off process and/or by a combination of the sputtering of a thin gold layer and thermal annealing methods. Fabricated gold nanoarrays were experimentally characterized and their optical properties were theoretically confirmed by FDTD calculations. Furthermore, it was demonstrated that any gold nanostructure, with controllable size and shape, can be realized in one-step by direct laser writing technique thanks to the optically induced thermal effect. Some applications of these metallic nanostrucures are proposed, for instance, refractive index sensor, data storage, and color printing.


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