DOSSIER couches minces optiques
Figure 1.( a) Gauche: tableau périodique indiquant les éléments pouvant être combinés par voie sol-gel pour former un oxyde métallique( MO x). L’ oxygène est surligné en rouge clair. Encadré: exemples de MO x utiles en optique / photonique. TiO₂ et SiO₂ sont mis en évidence comme paradigmes d’ indice élevé et faible dans le visible.( b) Les trois briques technologiques: solution initiale, dépôt( spin ou dip) et recuit. condensation, reliant les centres métalliques par des liaisons M – O – M; il se forme alors un réseau croissant qui évolue vers un gel:( RO) x M( OH) +( RO) x M( OH) →( OR) x M – O – M( OR) x + H 2 O → MO n
CHIMIE SOL-GEL La chimie sol-gel et les méthodes de dépôt liquide exploitent des procédés simples à pression ambiante, tels que le spin- ou le dip-coating, pour déposer des films minces entièrement inorganiques( Fig. 1b), proposant une alternative économique et évolutive, avec en prime la possibilité d’ accorder finement les propriétés optiques via la porosité et la cristallinité [ 2 ].
La chimie sous-jacente est un procédé humide polyvalent pour synthétiser des oxydes métalliques( Fig. 1a). Elle s’ appuie sur la formation d’ un sol colloïdal qui évolue en réseau gélifié via hydrolyse et condensation d’ alkoxydes ou de sels métalliques:
• Hydrolyse: Les alcoxydes métalliques( 〖 M( OR) 〗 _ x) réagissent avec l’ eau, ce qui remplace les groupes alcoxyde(– OR) par des groupes hydroxyle(– OH) et forme ainsi des espèces métalhydroxo: M( OR) x + H 2 O → M( OH) x + ROH
• Condensation: Les groupes hydroxyle subissent ensuite une
Selon les conditions, on obtient des gels polymériques ou des suspensions colloidales. Les solutions sont déposées( spin, dip, spray) puis recuites; cristallinité et densité se règlent par le procédé thermique. À partir de précurseurs liquides, on contrôle précisément la composition, la porosité et la structure. Contrairement aux techniques sous vide exigeantes, le procédé s’ opère à temperature et pression ambiantes et se termine par un recuit
Table 1. Propriétés de silice et dioxide de titane à indice de refraction ultra-élevé ou ultra-faible.
PROPRIÉTÉS SILICA SIO 2 TITANIA TIO 2 Epaisseur de depot maximale en 1 seule étape
2600 nm ± 3 %( larger values achieved by multi-layer deposition)
100 nm ± 3 %( 1000 nm avec de multiples étapes)
Rugosité de surface( RMS, nm) 1 nm for n = 1.12 0.4 for n = 1.38 < 0.5 nm jusqu’ à n = 2.6 n @ 520nm 1.12-1.45 ± 0.005 1.70-2.60 ± 0.01 Haze < 0.05 % < 0.2 % for n < 2.5 < 0.5 % for2.5 < n < 2.6 Abs.( pertes par diffusion) < 0.05 % dans le visible < 0.2 % dans le visible Temp de recuit 300-450 ° C 100-800 ° C Module d’ Young ≈2 GPa ≈200 GPa Humidité relative RH 85 % à 85 ° C × 72 h Δn = 0.01 UV light 1h, 306 W / cm 2 @ 365 nm Δn ≈ 0 Choc thermique,-30 ° C to + 60 ° C × 100 cycles Δn ≈ 0 Procédés de dépôt Durée de vie des solutions
Spin-coating, Dip-coating, Nano-Imprint > 2 mois à 6 ° C
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