Caractérisation de couches minces passives par modes de plasmons de surface

Thin passive films characterization by surface plasmon resonance

• Auteur / Autrice : Julie Dutems
• Direction : Yves Jourlin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 06/07/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Chadeyron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Mary, Florence Garrelie, Francis Vocanson, Nicolas Crespo-Monteiro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélien Bruyant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Optique

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Plasmons de surface

Films passifs

Optique

Photonique

Surface plasmons

Passive films

Optical

Photonics

Résumé

Les métaux tels que l’aluminium et ses alliages sont des matériaux trouvés fréquemment dans les industries et les hautes technologies. Ces métaux peuvent être utilisés dans des environnements pouvant les mener à leur dégradation, dû entre autres à la corrosion. Afin de limiter cette dégradation, certains métaux possèdent un mécanisme de défense qui consiste en l’apparition d’un film passif, une couche d’oxyde complexe protectrice de quelques nanomètres d’épaisseur. Ce film est généralement caractérisé par des méthodes électrochimiques, qui permettent d’étudier son épaisseur, sa résistance à la corrosion en fonction de l’environnement, ainsi que sa complexité. Cependant, de par leur épaisseur très mince et leur évolution dans leur environnement, leur caractérisation reste encore limitée et des mesures complémentaires sont nécessaires pour valider les modèles existants. L’objectif majeur de ces travaux de thèse consiste à mettre en place une méthode optique, les plasmons de surface, afin d’aider à caractériser in situ les films passifs lors de leur caractérisation électrochimique.Ainsi, les travaux issus de cette thèse ont permis de montrer la faisabilité de détecter un film passif d’aluminium avec des plasmons de surface pendant leur évolution lors de leur caractérisation électrochimique. Les épaisseurs extraites des caractérisations électrochimiques ont pu être corrélées avec les épaisseurs trouvées optiquement. Le système plasmonique mis en place a de plus été calibré avec des dépôts de couches d’alumine d’épaisseurs connues, et ont permis de retrouver une épaisseur du film passif présent naturellement en utilisant uniquement les mesures plasmoniques.

Metals such as aluminum and its alloys are common materials found in industries and high technology domain. These metals are often used in severe environment, leading them to their degradation, due in part by corrosion. In order to limit this degradation, certain metals have a defense mechanism that permits to protect them against corrosion, which consists in the apparition of a passive film, a protective complex oxide layer of a few nanometer thick. This film is generally characterized by electrochemical methods, which permit to study its thickness, its resistivity against corrosion according to its environment, as well as its complexity. However, due to their extremely thin thickness and their evolution in their environment, their characterization still remains limited and complementary measurements are necessary to validate the electrochemical models.The main goal of these thesis work consists in establishing an optical method, surface plasmon resonance, in order to help to characterize in situ passive films during their electrochemical characterization.Thus, the work resulting from this thesis have permitted to demonstrate the feasibility to detect an aluminum passive film with surface plasmon resonance during their evolution throughout their electrochemical characterization. The thicknesses extracted from the electrochemical characterization have been correlated with the thicknesses obtained optically. The plasmonic system implemented have moreover been calibrated with alumina layers deposited of known thickness, and have permitted to retrieve a passive film thickness existing naturally while using exclusively surface plasmon resonance.