Étude et caractérisation des propriétés d'absorption électromagnétique du silicium micro/nano-structuré

Abstract

Cette thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de surfaces micro-structurées de silicium, obtenues par traitement dans un plasma SF6/02 à des températures cryogéniques. La texturation qui résulte de ce traitement confère à ces surfaces des propriétés remarquables. L'une d'entre elles est la capacité de piéger et absorber la lumière, qui se traduit par une couleur noire de ces surfaces, d'où l'appellation Black Silicon. Cette propriété qu'on retrouve dans la gamme spectrale du visible et du proche infra-rouge, présente un intérêt particulier pour la conversion d'énergie solaire, aussi bien par voie photovoltaïque que par voie photo-thermique. L'étude que nous avons menée a toutefois porté sur une gamme spectrale plus large, s'étendant jusqu'aux Térahertz. A cet effet, différentes techniques de caractérisation spectrales ont été mises en œuvre. L'analyse des résultats a été effectuée également au moyen de simulations électromagnétiques. Des corrélations ont été mises en évidence entre les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques des surfaces micro-structurées. L'analyse d'images prises au microscope électronique a permis d'esquisser une théorie pour tenter d'expliquer le mécanisme de formation des microstructures de Black Silicon. Enfin, un microcomposant a été réalisé en vue de mettre en œuvre le premier volet applicatif de ce travail. Il s'agit d'un dispositif de conversion photo-thermique qui incorpore des thermo-résistances en platine sur une surface de Black Silicon réalisée sur une membrane thermiquement isoléeThis thesis deals with an experimental and theoretical study of micro-structured silicon surfaces, obtained by processing in SF6/02 plasma at cryogenic temperatures. Texturing which results from this treatment gives remarkable properties to these surfaces. One of them is the ability to trap and absorb light, resulting in a black color of the surface, hence the name of Black Silicon. This property that we find in the visible and near infrared spectral ranges, is of particular interest for solar energy conversion, both through photovoltaic and photo-thermal means. The study that we conducted, however, covered a much wider spectral range, extending to the Terahertz. For this purpose, different spectral characterization techniques have been implemented. Analysis of the results was also done using electromagnetic simulations. Correlations were found between the optical and morphological characteristics of micro-structured surfaces. The analysis of images taken by electron microscopy allowed sketching a theory attempting to explain the mechanism of formation of the microstructures of Black Silicon. Finally, a micro-component has been fabricated towards implementing the first part of this application work. It is a photo-thermal conversion device that incorporates platinum thermo-resistance on a surface of Black Silicon, realized on a thermally insulated Silicon membranePARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF