Structuration périodique multi-échelle de surface par auto assemblage de masques colloïdaux : couplage forme-taille-propriétés, applications électroniques et optiques

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Plasmonique, Modulation LSPR, Réseaux de nanoparticules d'or et d'iridium, Démouillage à l'état solide, Dioxyde de vanadium, Architecture adaptative métal-semi-conducteur, Calculs LSPR FDTD

Mots-clés

Résonance plasmonique de surface,

Plasmons,

Nanoparticules d'or,

Iridium,

Oxydes de vanadium

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de développement de procédés et de matériaux composites en films minces pour des applications optiques et électriques. Un procédé de Langmuir-Blodgett (LB), récemment acquis à l’institut IRCER, associé à un procédé de dépôt par ablation laser permet la synthèse de composites - films minces d’architectures contrôlées. Sur un substrat monocristallin de silicium ou de saphir, une monocouche de sphères de polystyrène de taille rigoureusement identique (d’environ 2-5 μm de diamètre), auto-organisées, est déposée en structure compacte par procédé LB et est utilisée comme masque colloïdal autorisant des photolithographies. Ce masque, couplé à des dépôts métalliques par ablation par laser impulsionnel, permet de générer des structures 2D (quasi-triangles autoorganisés) dont les dimensions sub-microniques sont fonctions des tailles des sphères initiales. La surface de recouvrement métalliques d’environ 9% est indépendante de la taille des sphères utilisées, la géométrie caractéristique est de dimension fractale. Dans ce document, deux types de métaux différents et complémentaires, sont utilisés afin de générer ces architectures, l’iridium et l’or. A ces échelles, l’or présente des effets de démouillage significatif autour de 500°C contrairement à l’iridium. Une étude rigoureuse sur les modifications des structures métalliques d’or induites par la température entre 20°C et 1000°C est présentée (démouillage à l’état solide). Les architectures métalliques, de géométries fixes ou modifiées par recuit, sont alors noyées dans une matrice de VO2, synthétisée à 500°C. Le dioxyde de vanadium, est un oxyde dit « intelligent », connu pour sa transition de phase à 68°C accompagnée par un changement drastique de ses propriétés physico-chimiques (transition isolant métal). Les composites Ir/VO2 et Au/VO2 développés dans cette thèse, présentent des propriétés d’absorption optique, dans le visible et surtout dans le proche infra-rouge, fascinantes. Des résonnances plasmons de surface locales (LSPR) liées aux architectures métalliques et à la nature des métaux utilisés sont observées et simulées par approche FDTD (Finite Difference Time Domain). Ces LSPRs sont modulables en amplitude et accordables, jusqu’à plus de 600 nm, en fonction de la température de la matrice VO2 et de la nature des éléments composant l’architecture métallique. L’apparition de structures singulières coeur-coquilles métalliques en matrice diélectrique, mises en évidence par spectroscopie RAMAN et confirmées par spectroscopie infra-rouge, justifie le décalage des longueurs d’ondes d’absorption observées dans l’infra-rouge. De plus, les inclusions métalliques, noyées au sein du VO2 permettent de sonder cet oxyde caractéristique et donnent de précieuses informations sur les évolutions des phases et des paramètres de maille durant sa transition.