Couches nanostructurées élaborées par dépôt en incidence oblique pour l'optimisation des performances optiques dans le visible et le proche infrarouge

Nanostructured layers fabricated by oblique-angle deposition for optical performance optimization in the visible and near-infrared range

• Auteur / Autrice : Cécile Marsal
• Direction : Fabien Paumier, Thierry Girardeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Matériaux, Mécanique, Énergétique (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Besland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Tromas, Corinne Marcel, Rose-Marie Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Martin, Fabien Capon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarimétrie

Nanoparticules

Diffusion (physique)

Ellipsométrie

Revêtements optiques

Mots clés libres

Nanomatériaux

Ellipsométrie spectroscopique

Antireflets omnidirectionnels

Nanomaterials

Spectroscopic ellipsometry

Omnidirectional anti-Reflections

Résumé

De nos jours, des matériaux innovants sont de plus en plus recherchés pour créer de nouveaux traitements photoniques différenciants. La nanostructuration des couches minces, omniprésente dans notre quotidien (médical, biomimétisme), est un moyen de rupture technologique. L’étude des propriétés optiques contrôlées par la nanostructuration de surface via la technique de dépôt PVD en incidence oblique (Oblique-Angle Deposition) est principalement adressée dans cette thèse. Cette technologie efficace et originale forme des architectures 3D nanoporeuses utilisées dans de nombreux domaines d’application (biomatériaux, capteurs). Son avantage majeur réside dans la grande modularité des indices de réfraction accessibles par un contrôle précis de la porosité des couches via les conditions de dépôt. La morphologie du film peut également être influencée en changeant l’orientation du porte-échantillons in situ lors du dépôt, ce qui permet de contrôler l'indice de réfraction dans les trois dimensions de la couche. Les films résultants sont complexes (anisotropie, gradients de porosité, diffusion) et nécessitent donc une caractérisation optique avancée. Des moyens uniques d’élaboration ont permis de contrôler précisément la croissance des nanostructures et de développer de nouvelles morphologies.De parfaites corrélations ont été démontrées entre nanostructures et propriétés optiques. La diffusion de ces nanostructures a également été étudiée par éléments finis pour optimiser les performances optiques des traitements de surface. Leur empilement a été maitrisé, ce qui a permis de les intégrer dans des designs multicouches de fonctions optiques nouvelles ou existantes de hautes performances. Les traitements antireflets large bande dans le Visible-SWIR, de 400 à 1800 nm, ont été optimisés en développant leur omnidirectionnalité.L’ensemble du travail a permis d’élargir l’utilisation de la technique OAD à une nouvelle application : les filtres polarimétriques.

Nowadays, more and more innovative materials are sought to create new differentiating photonic treatments. Nanostructuring of thin films, which is omnipresent in our daily life (medical, biomimicry), is a means of technological breakthrough. The study of optical properties controlled by surface nanostructuring via the Oblique-Angle Deposition (OAD) PVD technique is mainly addressed in this thesis. This efficient and original technology forms 3D nanoporous architectures used in many application fields (biomaterials, sensors). Its major advantage lies in the high modularity of refractive indices accessible through precise control of the film porosity via the deposition conditions. The film morphology can also be modified by changing the substrate orientation during the deposition, which allows to control the refractive index in all three dimensions of the layer. The resulting films are complex (anisotropy, porosity gradients, scattering) and therefore require advanced optical characterization. Unique elaboration means have allowed to precisely control the growth of the nanostructures and to develop new morphologies.Perfect correlations have been demonstrated between nanostructures and optical properties. The scattering of these nanostructures has also been studied by finite elements to optimize the optical performance of surface treatments. Their stacking has been mastered, allowing them to be integrated into multilayer designs of new or existing high-performance optical functions. The broadband anti-reflective coatings in the Visible-SWIR range, from 400 to 1800 nm, have been optimized by developing their omnidirectionality.All the work has enabled us to extend the use of the OAD technique to a new application: polarimetric filters.