Développement de composants grande surface à nanostructures résonantes pour systèmes de réalité augmentée

par Gil Cardoso

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Béatrice Dagens.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Photonique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 29-11-2018 .


  • Résumé

    L'enjeu global de la thèse est de proposer une solution bas coût à base de nanostructures résonantes, notamment plasmoniques, pour la fabrication d'une lame transparente de grande surface, focalisante et réfléchissante pour une ou plusieurs longueurs d'onde du visible. La fonction de filtrage spectral en réflexion et en incidence non normale combinée à une propriété de transparence globale acceptable pour les applications a été adressée dans un projet précédent, pour des surfaces planes atteignant 1cm². Les principaux objectifs de la thèse seront de développer la fabrication grande surface (plusieurs dizaines de cm²) de réseaux de nanostructures métalliques ou diélectriques, et de faire évoluer la conception des métasurfaces (métalliques ou diélectriques) à désordre corrélé afin de combiner le contrôle spectral de la réflectivité et la focalisation de l'image. Approches proposées : Fabrication : une conception validée de la fonction de réflectivité spectrale et transparence combinée étant disponible, un premier objectif de la thèse sera de développer une technologie de fabrication grande surface de cette structure en alliant le concept bas-coût: - la première approche consiste à utiliser un procédé de lithographie par nanoimpression (NIL), certaines étapes pouvant être sous-traitées avec une PME partenaire, déjà impliquée avec notre laboratoire dans des technologies similaires (Silsef). Les moules « mère » seront fabriqués au C2N par lithographie électronique sur silicium, de même que les tampons en PDMS nécessaires à la nanoimpression, tandis que le procédé de réplication sera effectué dans la PME. Le reste des étapes sera réalisé au C2N. Parmi les développements internes, il est prévu d'optimiser l'écriture du masque initial par lithographie électronique en mettant au point un procédé d'écriture rapide et reproductible, compatible avec des géométries de nanostructures circulaires ou légèrement elliptiques. Un autre aspect est la mise au point des étapes d'ouverture des motifs nanoimprimés dans un polymère inorganique à des dimensions de quelques dizaines de nm. - Dans une second temps, nous pourrons évaluer, pour comparaison, deux autres approches : l'une basée sur la lithographie optique interférentielle dans l'UV profond suivie d'un lift-off d'argent, compatible avec les nanostructures de plus grandes dimensions (résonances vers le rouge) pour réaliser directement les nanostructures sur le substrat de verre; l'autre consistant à transférer les réseaux de nanostructures, métalliques ou diélectriques, dans des substrats souples, pouvant être ensuite utilisés sous forme de stickers sur des surfaces transparentes rigides (planaires ou bombés) afin de les fonctionnaliser. Conception et caractérisation : les structures mises en jeu dans le projet peuvent être modélisées et conçues par plusieurs méthodes numériques (éléments finis, méthode modale de Fourier (FMM), FDTD…). Nous avons montré récemment [7] que les propriétés de réflectivité à la résonance dipolaire obtenues avec les nanostructures métalliques organisées selon un réseau périodique carré étaient très proches de celles des structures à désordre corrélé (Figure 1). Les simulations numériques basées sur des conditions de bord périodiques peuvent donc être utilisées pour la conception des deux types d'organisation, tant qu'aucun phénomène de résonances couplées n'intervient. Ces couplages sont aisément détectables en faisant varier le période du réseau. Ces méthodes numériques, et en particulier la FDTD, seront utilisées pour étudier le contrôle du déphasage induit au moment de la réflexion du signal incident et pour en déduire des conceptions de métasurfaces pour obtenir l'effet lentille à grande surface. Ces aspects de la conception seront également réalisés en collaboration avec l'Institut Fresnel, par FMM et éléments finis, avec lequel nous avons déposé un projet ANR (Transparence). Les structures fabriquées seront caractérisées notamment sur un banc de réflectométrie angulo-spectrale, développé et disponible au C2N, et éventuellement par microscopie optique de champ proche (SNOM) résolue en phase qui devra être adaptée pour un fonctionnement dans le visible (C2N).

  • Titre traduit

    Development of resonant nanostructures large area device for augmented reality


  • Résumé

    The objective of the PhD work is to design and fabricate with low-cost process a large area transparent plate, functionalized with resonant nanostructures. The plate will have the optical properties required for a compact system of augmented reality, like reflection and focalization properties preserving the clear transparency of the plate in visible range. The work will include the design of metasurfaces allowing the local and spectral control of the amplitude and of the wavefront of the reflected signal, as well as the large area technology development and the optical characterisation of the fabricated samples.