Grâce aux récents progrès dans le domaine de la nanofabrication, la réalisation de structures photoniques a été rendue possible, permettant le contrôle de rayonnements lumineux utiles en tant que vecteurs d'informations ou pour la collecte de l'énergie. Ce manuscrit de thèse rassemble les études menées en collaboration avec Thalès Optronique sur deux démonstrateurs du projet ANR NPOEM, dont l'objectif est de réaliser des structures photoniques sur substrats souples par nanoimpression. Le premier démonstrateur consiste en un antireflet utilisant le domaine de résonance de réseaux de diffraction bipériodiques composés de motifs pyramidaux. Des réseaux de structures coniques à méplat lisse, structuré ou rugueux ont été modélisés par FDTD et RCWA, réalisées en collaboration avec le LTM et le CEA Liten, puis caractérisés à l'IM2NP. Les performances antireflets obtenues sont remarquables (réflectivité inférieure à 2% en incidence normale) et s'étendent sur une très large gamme spectrale du visible à l'infrarouge. Le second démonstrateur présente une fonction de filtrage de type passe-bas dans le visible et l'infrarouge. Une étude de plusieurs structures résonnantes de type métamatériaux (croix métalliques, empilement métal-diélectrique-métal, cônes métalliques et plaque métallique perforée) a montré les phénomènes de propagation singuliers liées aux petites dimensions (modes de bord, ondes de surface et couplages de proximité) et a conduit à la réalisation finale d'un filtre flexible et de large surface présentant les propriétés souhaitées. Les composants photoniques réalisés dans cette thèse trouvent leurs applications dans les domaines de la furtivité et du solaire thermique. / Thanks to recent advances in nanofabrication, the realization of photonic structures was possible, allowing the control of light as an information vector or for energy harvesting. This PhD thesis adresses the studies carried out in collaboration with Thales Optronics on two demonstrators for the ANR NPOEM research project, whose objective is to fabricate photonic structures on flexible substrates by nanoimprint technology. The first demonstrator consists of an antireflective coating using resonance phenomena within biperiodic diffraction gratings. Conical structures with flat, rough or patterned tops were modeled by FDTD and RCWA, carried out in collaboration with the CEA Liten LTM and then characterized at the IM2NP institute. The antireflective performances obtained are remarkable (reflection coefficient lower than 2 % at normal incidence) and extend over a wide spectral range from the visible to the infrared region. The second demonstrator presents a low-pass type filtering function at optical and infrared frequencies. A study of several resonant structures such as metamaterials (metallic crosses, metal-dielectric-metal stack, metallic cones and perforated plates) showed singular propagation phenomena related to small dimensions (modes, surface waves and proximity coupling) and led to the completion of a large surface, flexible filter demonstrating the desired properties. The photonic components made during this thesis have applications in the stealth and thermal solar domains.

Ces travaux ont permis l’élaboration d’un revêtement multifonctionnel adapté au vitrage automobile. Pour y parvenir, le procédé sol-gel de dépôt de couches minces a été utilisé pour apporter des propriétés antireflets, anti-buée et une résistance à la pollution. En particulier, les propriétés optiques des couches déposées ont été optimisées de manière à obtenir un effet antireflet par interférences destructives. Le choix d’une architecture en bicouche ou en tricouche nous a permis d’étudier différentes stratégies pour ajouter des propriétés additionnelles au revêtement. Une méthode originale a été développée pour observer la formation de la buée à la fois à l’échelle macroscopique et à l’échelle microscopique et sélectionner la stratégie anti-buée la plus performante. Ces observations ont été discutées à partir d’une méthode de modélisation permettant de comparer l’opacification macroscopique aux différentes populations de microgouttelettes. La durabilité des revêtements a également été testée au cours de campagnes de mesures. / A multifunctional coating for the automotive industry was elaborated by depositing sol-gel thin films onto glass substrates. Broadband antireflective coatings were synthetized by tuning the optical properties of each deposited layer in order to promote destructive interferences. Different strategies based on a bilayer system and a trilayer system were used to add additional functionalities to the coating. A specific approach was developed to observe fog formation both at the macroscopic scale and at the microscopic scale and therefore to choose the best antifogging coating. These observations were discussed with a modelling method which allows us to compare the macroscopic opacification and the microdroplets populations. Moreover, mechanical tests were performed.

The self-assembly of isotropic and anisotropic colloidal particles into higher-ordered structures has been of great interest recently due to the promise of creating metamaterials with novel macroscopic properties. The physicochemical properties of these metamaterials can be tailored to achieve composites with tunable functionalities. The formation of these metamaterials can be used as a pathway to emulating advanced biological systems. In particular, synthetically mimicking the surface of a moth’s eye, which consists of arrays of ellipsoidal protuberances, can be used as a strategy for fabricating antireflective coatings. To enable this technology, it is necessary to design a synthesis scheme that produces micron-sized composite particles with tunable refractive index. In the future, the resulting composite microparticles can then undergo geometric and spatial modifications to form self-assemblies that have unique macroscopic material properties. This research work delineates a strategy of developing microparticles with a hybrid configuration that constitutes an inorganic and an organic part. The inorganic part comprises ~30 nm diameter titania (TiO2) nanoparticles, which are embedded within an organic polymer particle comprised of diethyl methylene malonate polymer [p(DEMM)]. Anionic polymerization is modified to controllably incorporate TiO2 nanoparticles into the polymer matrix. A design of experiments was identified and carried out to identify the major process variables that influence the final particle size. In particular, since DEMM polymerization may be initiated entirely by the presence of hydroxyl anions, pH was found to control the final overall particle diameter between 300 nm and 1 micrometer. The overall inorganic particle loading can be readily modified and is confirmed by thermogravimetric analysis, allowing for the desired macroscopic refractive index to be controlled. Light scattering, scanning electron microscopy and zeta potential analysis reveals that the colloidal stability of the hybrid microparticles is dependent on the ligand coating the inorganic constituent. In addition, this synthetic scheme is applied to different inorganic constituents that have interesting functionalities, such as fluorescent CdTe quantum dots, in order to show the methods versatility method to produce composite particles for a wide spectrum of applications. These initial investigations provide a the synthetic groundwork to evaluating the coating properties of the microparticles and their self-assembly into novel materials in the future.

No description available.

No description available.

In order to improve the efficiency of various optical surfaces, optical coatings are used. Optical coating is a process of depositing a thin layer of a material on an optical component such as mirror or lens to change reflectance or transmittance. There are two main types of coatings namely / reflective and antireflective (AR) Coatings. Reflective and antireflective coatings have long been developed for a variety of applications in all aspects of use / for optical and electro-optical systems in telecommunications, medicine, military products and space applications. In this thesis, the main properties of reflective and antireflective coatings, the thin film deposition techniques, suitable coating materials for space applications, space environment effects on coating materials and coating design examples which are developed using MATLAB for space applications will be discussed.

This work deals with deposition of yttrium oxide layers on silicon substrate (P – type) by using magnetron and reactive magnetron sputtering. Experiments which were made are further described. After that, work is focused on evaluation of deposited layers by using FTIR measurement technique and spectrophotometry. At the end of the work results of experiments are discussed also with the future progress.

Le système antireflet (SAR) est d‟une grande importance pour les cellules photovoltaïques (PV), surtout pour celles de deuxième génération à base de couches minces. Au cours de ce travail de thèse, nous avons cherché à réaliser un SAR à la fois efficace et répondant aux critères de l‟industrie PV en termes de coût de production et de facilité de mise en oeuvre. Pour cela, nous avons particulièrement étudié le dépôt d‟oxynitrures de silicium (SiOxNy), comme élément de base de ces dispositifs. Les films sont élaborés par pulvérisation cathodique réactive radiofréquence à effet magnétron. Notre volonté a été d‟étudier à la fois le procédé de dépôt, les matériaux obtenus ainsi que la formation de dispositifs fonctionnels. Nous avons tout d‟abord présenté les deux voies d‟élaboration des couches minces de SiOxNy: par procédé conventionnel (PC) où les gaz réactifs ne sont pas pulsés, puis par le procédé de gaz réactif pulsé (PGRP). Nous avons aussi croisé une étude expérimentale par Spectroscopie d‟Emission Optique (SEO) et une modélisation du procédé afin de mieux appréhender les interactions des gaz réactifs avec la cible et leur effet sur le procédé. En parallèle, des dépôts ont été réalisés afin de vérifier la capacité de chacune des deux techniques à déposer des SiOxNy avec une gamme variable de compositions. Nous avons ensuite étudié l‟effet des paramètres de pulse de la méthode PGRP à la fois sur la structure, mais aussi sur les propriétés optiques et électriques des couches minces de SiOxNy. Nous avons cherché ici à valider le lien entre structure et indices de réfraction pour ces films. Enfin, pour réaliser un dispositif AR fonctionnel, des systèmes AR ont été tout d‟abord simulés avec un programme de calcul électromagnétique et optimisés grâce à un algorithme génétique. Les systèmes optimisés ont été ensuite déposés et caractérisés. Une réflectivité moyenne (entre 400 et 900 nm) inférieure à 5 % a ainsi été obtenue. / Antireflective systems (ARS) are of great importance for photovoltaic (PV) cells, especially those of second generation based on thin layers. In this work, we have been looking for achieving an ARS not only efficient but also meeting the criteria of the PV industry in terms of production cost and ease of implementation. For this, we particularly studied the deposition of silicon oxynitrides (SiOxNy), as the base materials of these devices. Films were deposited by cathodic reactive radiofrequency sputtering with a magnetron effect. We desired to study not only the deposition process, the obtained materials but also the realization of functional devices. We firstly presented two routes of SiOxNy thin films deposition: by the Conventional Process (CP) where the reactive gases are not pulsed, and by the Reactive Gas Pulsing Process (RGPP). We also combined an experimental study by Optical Emission Spectroscopy (SEO) and process modeling to better understand the reactive gases interactions with the target and their effect on the process. Simultaneously, films depositions were realized to check the potential of each technique to obtain a wide range of silicon oxinitrides composition.Then, we studied the effect of pulse parameters with the RGPP on the structure and also on the optical and electrical properties of SiOxNy thin films. We aimed here to confirm the link between structure and refractive indices for these films. Finally, to achieve a functional AR device, AR systems were firstly simulated with an electromagnetic calculation program and optimized using a genetic algorithm. The optimized systems were then deposited and characterized. An average reflectivity (between 400 and 900 nm) less than 5% was thus reached.

Le but de ce travail de recherche a été d’une part, de contrôler le procédé d’élaboration decouches minces d’oxynitrures de silicium par pulvérisation cathodique réactive à partir d’une ciblede silicium ; et d'autre part, de déterminer les caractéristiques structurelles et optiques de cescouches minces pour réaliser des multicouches à propriétés antireflets dans le visible. Des films deSiNy et SiOx ont été élaborés et étudiés selon trois procédés de pulvérisation cathodique réactive. Legaz réactif a été introduit soit en continu (procédé convention : CP), soit périodiquement selon uncréneau exponentiel (procédé RGPP). Le troisième procédé de pulvérisation repose sur l'orientationdu substrat dans l'espace tandis que la source de vapeur reste fixe (technique GLAD). Les analysespar spectroscopie d’électrons et par microscopie électronique ont permis de déterminer lacomposition chimique et la morphologie des films. Les caractéristiques optiques ont étédéterminées par spectroscopie UV-visible-PIR. De plus, des simulations numériques sur lespropriétés fondamentales des structures du nitrure et de l'oxyde de silicium ont été effectuées pouressayer de mieux appréhender les comportements optiques de ces films. Au final, ces travaux ontpermis l'élaboration et l'étude d'empilements multicouches SiNy/SiOx à propriétés antireflets dansles longueurs d'onde du visible sur différents substrats. / This work aims at controlling the deposition process of silicon oxynitride thin films by reactivesputtering from a silicon target. It is also focused on some correlations between structural andoptical properties of the films in order to produce antireflective multilayers. SiNy and SiOx films aresputter deposited by three different reactive processes. A continuous reactive gas injection(conventional process: CP) or a periodical supply by means of exponential pulses is implemented(RGPP process). The third process is based on a controlled orientation of the substrate (GLADtechnique). These films are analyzed by electronic spectroscopy and electronic microscopy forcomposition and morphology, respectively. The optical properties are determined by UV-Vis-IRspectroscopy. Moreover, theoretical simulations on structural silicon nitride and oxide areperformed so as to better understand optical properties of the films. Last but not least, this workleads to the growth and study of SiNy/SiOx antireflective multilayers used in the visible range anddeposited on different kind of substrates.

Les traitements antireflets (AR) sont très largement utilisés pour améliorer la transmission de systèmes optiques composés de hublots, lentilles, de lames séparatrices,… Dans cette thèse les gammes spectrales visées sont le visible étendu [400-1800nm] et le moyen infrarouge [3,7-4,8µm]. La méthode de nanostructuration par dépôts de films minces utilisant des techniques PVD en incidence oblique (Oblique Angle Deposition) a été choisie car elle permet d’envisager des AR hautes performances sur une large gamme de longueur d’onde, via un procédé industrialisable. L’introduction de porosité via le contrôle des angles de dépôt est utilisée pour nanostructurer l’architecture de chaque couche et de l’empilement ; méthode permettant de modifier et d’optimiser les propriétés optiques des couches constituantes en vue d’un design complet optimal. Une cartographie des indices effectifs accessibles par OAD a été dégagée concernant les trois matériaux déposés (TiO2, SiO2 et Ge). Mais les propriétés optiques de ces couches nanostructurées diffèrent largement de celles des couches denses du fait de la présence d’anisotropie, de gradient d’indice, de diffusion et d’absorption. A partir de caractérisations microstructurales, chimiques et optiques poussées (AFM, MEB, MET, tomographie FIB, tomographie MET, EDX, EELS, spectrophotométrie et ellipsométrie généralisée) un modèle optique analytique plus complexe et couplé à des analyses par éléments finis (FDTD) est présenté. L’ensemble du travail a permis d’élaborer par OAD de simples antireflet bicouches démontrant déjà de hauts niveaux de transmission, supérieurs aux traitements AR existants (interférentiel) ou en développement (Moth-eyes). / Anti-reflective (AR) coatings are widely used to improve the transmission of optical systems composed of window, lenses, separating filters,... In this thesis, the spectral ranges targeted are the extended visible [400-1800nm] and the mid infrared [3.7-4.8µm]. Thin film deposition nanostructuring method using oblique angle deposition (oblique angle deposition) PVD technique was chosen because it allows high performance AR to be considered over a wide wavelength range, by an industrial process. The introduction of porosity with the control of deposition angle is used to nanostructure the architecture of each layer and stack; a method for modifying and optimizing the optical properties of the constituent layers for optimal complete design. A mapping of the effective indices accessible by OAD has been identified for the three materials deposited (TiO2, SiO2 and Ge). However optical properties of these nanostructured layers differ greatly from those of dense layers due to the presence of anisotropy, index gradient, diffusion and absorption. Based on advanced microstructural, chemical and optical characterizations (AFM, SEM, TEM, FIB tomography, TEM tomography, EDX, EELS, spectrophotometry and generalized ellipsometry) a more complex analytical optical model coupled with finite element analyses (FDTD) is presented. All the work has enabled OAD to develop simple two-layer anti-reflective coatings that already demonstrate high levels of transmission, superior to existing (interferential) or work in progress (Moth-eyes) AR treatments.