Development of metallic dielectric stacks for optical applications : design, production and characterization

Les travaux de cette thèse concernent l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur la microstructure et les propriétés optiques de monocouches dans le but de réaliser des filtres optiques particuliers commercialisables. La méthode de dépôt utilisée est l'évaporation par canon à électrons avec assistance ionique. L'un des deux projets a été de vérifier la faisabilité de filtres optiques infrarouges dans la gamme [2-15] µm avec des matériaux non toxiques. Les monocouches des trois fluorures étudiées ont montré des comportements différents suivant les conditions de dépôt, notamment suivant la température du substrat qui influe fortement sur leur microstructure. L'association du BaF₂ au germanium, avec des réglages optimisés, montre pour différents filtres réalisés des résultats proches de la théorie. Ces filtres sont donc commercialisables. Le second projet a été de développer une machine de dépôt dans le but de pouvoir réaliser des filtres complexes d'une centaine de couches d'épaisseur variable (de 15 à 300 nm) associant des monocouches de TiO₂ à des monocouches de SiO₂. L'étude de l'influence des paramètres de dépôts (pression, assistance ionique, préchauffage du matériau) au travers différentes caractérisations (MEB, AFM, ellipsométrie)  a permis une optimisation des réglages de l'enceinte de dépôt plus efficace et adaptée en fonction des spécifications des filtres optiques à réaliser. Puis, une étude ellipsométrique poussée de l'indice de réfraction des monocouches de TiO₂ en fonction de leur épaisseur a conduit à une nette évolution des résultats pour la réalisation du filtre complexe.This thesis deals the study of deposition conditions 'effect on the microstructure and optical properties of monolayers in order to achieve marketable optical filters, with particular specifications. All filters and monolayers were deposited by ion-assisted electron-beam evaporation technique. One of the two projects was to test the feasibility of infrared optical filters in the range [2-15] µm with non-toxic materials. The study of monolayers of three fluorides showed different behaviors depending on the deposition conditions especially as a function of the substrate temperature that affects their microstructure. For different filters realized, the association of BaF₂ with germanium, settings of deposition optimized, shows results close to the theory and these filters are marketable. The second project was to develop a deposition chamber in order to realize complex filters built with one hundred layers of variable thickness (15 to 300 nm) associating monolayers of TiO₂ with monolayers of SiO₂. The study of the influence of deposition parameters (pressure, ionic assistance, preheating of material) through different characterizations (SEM, AFM, ellipsometry) allowed the optimization of deposition's parameter settings more effective, and adapted according to the specifications of the optical filters to realize. Then, an ellipsometric advanced study of the refractive index of TiO₂ monolayers depending on their thickness led to a significant change in results for the realization of complex filter

Développement d'empilements métalo-diélectriques pour des applications optiques : conception, réalisation et caractérisation

This thesis deals the study of deposition conditions 'effect on the microstructure and optical properties of monolayers in order to achieve marketable optical filters, with particular specifications. All filters and monolayers were deposited by ion-assisted electron-beam evaporation technique. One of the two projects was to test the feasibility of infrared optical filters in the range [2-15] µm with non-toxic materials. The study of monolayers of three fluorides showed different behaviors depending on the deposition conditions especially as a function of the substrate temperature that affects their microstructure. For different filters realized, the association of BaF₂ with germanium, settings of deposition optimized, shows results close to the theory and these filters are marketable. The second project was to develop a deposition chamber in order to realize complex filters built with one hundred layers of variable thickness (15 to 300 nm) associating monolayers of TiO₂ with monolayers of SiO₂. The study of the influence of deposition parameters (pressure, ionic assistance, preheating of material) through different characterizations (SEM, AFM, ellipsometry) allowed the optimization of deposition's parameter settings more effective, and adapted according to the specifications of the optical filters to realize. Then, an ellipsometric advanced study of the refractive index of TiO₂ monolayers depending on their thickness led to a significant change in results for the realization of complex filter.Les travaux de cette thèse concernent l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur la microstructure et les propriétés optiques de monocouches dans le but de réaliser des filtres optiques particuliers commercialisables. La méthode de dépôt utilisée est l'évaporation par canon à électrons avec assistance ionique. L'un des deux projets a été de vérifier la faisabilité de filtres optiques infrarouges dans la gamme [2-15] µm avec des matériaux non toxiques. Les monocouches des trois fluorures étudiées ont montré des comportements différents suivant les conditions de dépôt, notamment suivant la température du substrat qui influe fortement sur leur microstructure. L'association du BaF₂ au germanium, avec des réglages optimisés, montre pour différents filtres réalisés des résultats proches de la théorie. Ces filtres sont donc commercialisables. Le second projet a été de développer une machine de dépôt dans le but de pouvoir réaliser des filtres complexes d'une centaine de couches d'épaisseur variable (de 15 à 300 nm) associant des monocouches de TiO₂ à des monocouches de SiO₂. L'étude de l'influence des paramètres de dépôts (pression, assistance ionique, préchauffage du matériau) au travers différentes caractérisations (MEB, AFM, ellipsométrie)  a permis une optimisation des réglages de l'enceinte de dépôt plus efficace et adaptée en fonction des spécifications des filtres optiques à réaliser. Puis, une étude ellipsométrique poussée de l'indice de réfraction des monocouches de TiO₂ en fonction de leur épaisseur a conduit à une nette évolution des résultats pour la réalisation du filtre complexe

Optimization of bandpass optical filters based on TiO2 nanolayers

International audienceThe design and realization of high-quality bandpass optical filters are often very difficult tasks due to the strong correlation of the optical index of dielectric thin films to their final thickness, as observed in many industrial deposition processes. We report on the optimization of complex optical filters in the visible and NIR spectral ranges as realized by ion beam-assisted electron beam deposition of silica and titanium oxide multilayers. We show that this process always leads to amorphous films prior to thermal annealing. On the contrary, the optical dispersion of TiO2 nanolayers is highly dependent on their thickness, while this dependence vanishes for layers thicker than 100 nm. We demonstrate that accounting for this nonlinear dependence of the optical index is both very important and necessary in order to obtain high-quality optical filters

Collective molecular reorientation of a calamitic liquid crystal (12CB) confined in alumina nanochannels

International audienceWe study the smectic director structure of the rodlike liquid crystal 4-n-dodecyl-4cyanobiphenyl 12CB confined in cylindrical cavities of 200 nm diameter in porous alumina templates by means of combined broadband dielectric spectroscopy, optical birefringence, and neutron scattering measurements. We show that the collective molecular orientation differs between entering the smectic A phase upon cooling from the isotropic state and entering the same phase upon heating while melting the confined crystal. We discuss this collective molecular realignment in terms of a competition between weak planar anchoring at the p-Al2O3 /12CB interface and a preferred texture typical of the crystallization of rodlike molecules in nanochannels Bridgman growth