Contribution à l'étude expérimentale et théorique des cristaux photoniques unidimensionnels hybrides à base de HMDSO et de silicium

Contribution to the experimental and theoretical study of hybrid one-dimensional photonic crystals based on HMDSO and silicon

• Auteur / Autrice : Raja Amri
• Direction : Martial Clin, Dhouha Gamra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 06/10/2017
• Etablissement(s) : Amiens en cotutelle avec Université de Tunis El Manar
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de la matière condensée (Amiens)
• Jury : Président / Présidente : Najah Mliki
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martial Clin, Dhouha Gamra, Alain Fort, Radhouane Chtourou, Mohammed Benlahsen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Fort, Radhouane Chtourou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Silicium -- Couches minces

Cristaux photoniques

Mots clés libres

PECVD

HMDSO

Sputtering

Résumé

On s'est intéressé dans ce travail à l'élaboration, la caractérisation et la modélisation des propriétés optiques d'une nouvelle génération de cristaux photoniques hybrides à une dimension à base d'un composé organique l'hexaméthyldisiloxane dilué dans l'oxygène ou l'azote, et pur en alternance avec le silicium. Après un bref rappel sur l'historique des cristaux photoniques, et leur originalité qui réside en l'existence de bandes interdites photoniques (BIP) qui sont à la base de leurs applications potentielles dans la communication optique et l'optoélectronique. Nous avons ensuite présenté les matériaux de base utilisés pour l'élaboration de nos cristaux photoniques et qui sont: l'hexaméthyldisiloxane (HMDSO) et le silicium, qu'on a déposé en couches minces par les techniques de PECVD et de pulvérisation cathodique magnétron RF. La composition de ces couches a été analysée par spectroscopie infrarouge à transformé de Fourrier et leurs indices de réfraction déterminés par spectroscopie de transmission et de réflexion. Les deux premiers cristaux photoniques hybrides sont issus de même matériaux organiques le HMDSO qu'on a dilué respectivement avec l'oxygène et l'azote. Pour le premier cristal nous avons fait varier le flux d'oxygène jusqu'à obtenir des nouvelles phases formées de HMDSO et SiO2. Pour le deuxième cristal nous avons dilué le HMDSO avec l'azote en faisant varier la puissance RF de dépôt jusqu'à obtenir deux phases formées de SiCxNyOzH et -Si3N4. Les deux cristaux photoniques sont ainsi de matériau présentant un bon contraste d'indice propice à l'émergence de la bande interdite photonique. Le troisième cristal photonique hybride est quant à lui constitué des couche de HMDSO pur alternées avec des couches de silicium. Nous avons interprété les résultats expérimentaux à l'aide d'un modèle théorique basé sur la méthode de matrice de transfert. Enfin nous avons étudié dans les trois cristaux photoniques l'effet d'incorporation des défauts et nous avons montré l'existence de mode localisé à l'intérieur de la bande interdite photonique

In this work, we focused on the elaboration, characterization and modelization of the optical properties of a new generation of one-dimensional hybrid photonic crystals based from an organic compound hexamethyldisiloxane diluted in oxygen or nitrogen, and pure alternating with silicon. After a brief review of the history of photonic crystals, their originality lies in the existence of photonic band gaps (BIPs) which are the basis of their potential applications in optical communication and optoelectronics. Then we presented the basic materials used for the production of our photonic crystals, which are: hexamethyldisiloxane (HMDSO) and silicon, which have been deposited in thin layers by PECVD and RF magnetron sputtering techniques. The composition of these layers was analyzed by Fourrier transform infrared spectroscopy and their refractive indixes determined by transmission and reflection spectroscopy. The two hybrid photonic crystals were obtained from the same organic materials HMDSO which were diluted with oxygen and nitrogen, respectively. For the first crystal we have varied the flow of oxygen and we obtain a new phases formed of HMDSO and SiO2. For the second crystal we have diluted the HMDSO with nitrogen by varying the RF deposition power until two phases are formed of SiCxNyOzH and -Si3N4. These two photonic crystals are thus materials presenting a good contrast of index leads to the emergence of the photonic band gap. The third hybrid photonic crystal consists of layers of pure HMDSO alternating with layers of silicon. We have interpreted the experimental results using a theoretical model based on the transfer matrix method. Finally, we studied in the three photonic crystals the effect of incorporation of the defects and we have shown the existence of located mode within the photonic band gap