Matériaux photopolymérisables fonctionnels pour la lithographie 3D à haute résolution et la nano-optique

Functional Photopolymer Materials for High-resolution 3D Lithography and Nano-optics

• Auteur / Autrice : Ying Peng
• Direction : Renaud Bachelot, Safi Jradi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 20/12/2017
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : China Scholarship Council
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Patrice Baldeck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Safi Jradi, Patrice Baldeck, Loïc Mager, Gary Wiederrecht
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Mager

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photolithographie

Photoluminescence

Résines photosensibles

Nanostructures

Points quantiques

Polymérisation

Mots clés libres

Polymérisation

Points quantiques

Nanostructures

Résines photosensibles

Photoluminescence

Photolithographie

Polymerization

Quantum dots

Nanostructures

Photoresists

Photoluminescence

Photolithography

Résumé

Les nanostructures photoluminescentes à forte efficacité d’émission présentent un intérêt majeur en nano-optique. En particulier, les boîtes quantiques (BQs) sont d’excellents candidats pour obtenir des sources de photons uniques, lorsqu’elles sont insérées dans des cavités photoniques appropriées. Ainsi, l’intégration de ces nano-émetteurs avec un contrôle spatial parfait constitue un réel défi. Dans cette thèse, nous avons développé un photopolymère greffé sur des BQs de différentes couleurs d’émission, pour la photolithographie 3D à très haute résolution spatiale. Nous avons ainsi fabriqué des nanostructures 1D, 2D et 3D par photopolymérisation à 2 photons (PDP). Une amélioration significative de la résolution a été obtenue grâce à un très fort confinement du volume réactionnel suite à l’ajout des inhibiteurs de radicaux. Le plus petit motif polymère est inférieur à 60 nm, obtenu au sein de structures organisées type « tas de bois » de 350 nm de période. Il s’agit d’un record dans la fabrication 3D par PDP utilisant un seul laser à 780 nm. Nous avons également montré que la présence des BQs améliore significativement la résolution. Des études photochimiques et cinétiques ont été réalisées pour comprendre l’influence des inhibiteurs et des BQs sur la structuration. Finalement, nous avons montré la possibilité d’intégrer nos BQs de manière contrôlée sur des nano-fils d’argent, des guides d’onde, des nano-cubes d’or et des fibres optiques microlentillées. Nos résultats devront stimuler d’autres travaux prometteurs dans le domaine de la nano-optique

Luminescent nanostructures with high emission efficiency and spatial resolution are of great interest for optics and photonics. Specifically in quantum optics, remarked as an attractive candidate for single photon sources, quantum dots (QDs) have shown promising quantum yield and stability. In this issue, the crucial point is to integrate QDs emitters with a spatially controlled manner into optical and plasmonic devices. In this thesis, photopolymer containing QDs with 3 different emission colors have been formulated and used for the fabrication of 1D, 2D and 3D nanostructures with sub-100 nm size by direct laser writing based on two-photon polymerization (TPP-DLW). The improvement of the spatial resolution of writing is realized through a strong confinement of the polymerization volume based on the use of free radical inhibitors. The results show that the smallest feature size of 3D polymer woodpiles could reach 60 nm with a period of 350 nm, which has never been reported in the fabrication via TPP-DLW using single laser emitting at 780 nm. Investigations showed that spatial resolution of writing is significantly improved in the presence of Qds. Photochemical and kinetics studies were performed to understand the effect of both inhibitors and Qds on the nanostructuring by TPP. Finally, the local integration of QDs into Ag nanowires, ion exchange-glass optical waveguides, Gold nanocubes and fiber tips was achieved. We believe that our results and approaches of nanofabrication will stimulated further promising works in nano-optics