Verres et vitrocéramiques de chalcogénures pour l'optique infrarouge : nouvelles méthodes de synthèse et dopage par les ions de terres rares

Chalcogenide glasses and glass-ceramics for infrared applications : new synthesis routes and rare earth doping

• Auteur / Autrice : Mathieu Hubert
• Direction : Xiang Hua Zhang, Laurent Calvez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Mécanosynthèse

Caméras infrarouges

Propriétés mécaniques

Vitrocéramique

Verre

Résumé

Afin de pouvoir collecter les rayonnements émis par les corps chauds dans les 2nde et 3ème fenêtres atmosphériques (3-5 µm et 8-12 µm), les caméras thermiques doivent être équipées de lentilles transparentes dans l'infrarouge. Les matériaux actuellement utilisés pour la conception des lentilles sont chers et leur mise en forme est complexe. Les verres de chalcogénures sont moins chers, possèdent une large transmission dans l'infrarouge et leur mise en forme est aisée. Cependant, leurs propriétés mécaniques relativement faibles et leur méthode de synthèse complexe et coûteuse en ampoule de silice limitent leur utilisation. Ce travail de thèse a consisté à l'exploration de nouvelles méthodes de synthèse pour ces verres et au développement de vitrocéramiques aux propriétés mécaniques renforcées. Une méthode combinant la mécanosynthèse et le frittage par Spark Plasma Sintering a été développée. Des verres et des vitrocéramiques de dimensions importantes ont été produits dans des temps réduits et à des températures moins élevées que par la méthode de synthèse classique. La possibilité de déposer des traitements antireflets efficaces sur des vitrocéramiques 80GeSe2-20Ga2Se3 a été démontrée, renforçant leur intérêt pour la production d'optiques infrarouges. De nouvelles applications potentielles pour ces vitrocéramiques ont également été étudiées. Une attaque chimique a permis la création de matériaux poreux en surface intéressants pour des applications de détection. L'addition de Pb et d'In aux verres GeSe2-Ga2Se3 a conduit à l'exploration de nouveaux diagrammes vitreux. Enfin, la luminescence dans l'infrarouge de vitrocéramiques dopées par les ions de terres rares a été étudiée.

Thermal imaging devices work in the 2nd and 3rd atmospheric windows (3-5 µm and 8-12 µm) and thus require lenses transparent at these wavelengths. The materials currently used to produce the lenses are expensive and hard to shape. Chalcogenide glasses are cheaper. They possess a large domain of transparency in the infrared, and are easy to shape by molding. However, their mechanical properties are relatively weak, and their synthesis process in sealed silica tubes is complex and expensive. These factors are currently limiting their use as infrared lenses. The aim of this research work consisted in exploring innovative synthesis methods for chalcogenide glasses and in developing glass-ceramics with enhanced mechanical properties. A synthesis method combining mechanosynthesis and Spark Plasma Sintering was developed. Glasses and glass-ceramics with large dimensions have been produced, in shorter times and at lower temperatures as compared to the synthesis method in sealed silica tubes. The deposition of efficient antireflective coatings has been performed on 80GeSe2-20Ga2Se3 glass-ceramics, reinforcing the high interest of this composition for the production of infrared optics. New potential applications have also been explored for these glass-ceramics. A chemical etching treatment led to the creation of a nanoporous layer on top of the materials, making them interesting for detection purposes. The addition of lead and indium to GeSe2-Ga2Se3 glasses led to the exploration of two new glassy domains. Finally, the luminescence properties of glass-ceramics doped with rare earth ions has been investigated.