couches minces optiques DOSSIER
( 100 – 800 ° C) en simple four, ajusté au substrat et aux propriétés visées.
MATÉRIAUX À INDICE DE RÉFRACTION ULTRA-ÉLEVÉ ET ULTRA-FAIBLE Nous détaillons le cas de 2 matériaux d’ intérêt pour la photonique, la silice( SiO₂) et le dioxide de titane( TiO₂), tous les 2 déposables sur grandes plaques avec forte planéité et faible rugosité, limitant les pertes par diffusion( Tableau 1).
Silice( SiO₂)— Déposée par spin ou dip sur plus de 2600 nm en un seul passage( plus épais par couches successives). Un recuit 300 – 450 ° C produit un réseau SiO₂ entièrement inorganique, homogène, robuste, hydrophobe, avec indice de refraction modulable de 1,12( ULRI) à 1,45 ± 0,005. L’ indice est ajusté finement par la porosité. Le dépôt se fait à pression ambiante, et la matière peut être moulée en 3D par nano-impression directe, évitant les étapes de gravure [ 3 ]. Cette « résine » de silice sert à encapsuler des métasurfaces ou à gainer des PIC. Contrairement aux aérogels, elle reste thermiquement, chimiquement et mécaniquement stable.
Dioxyde de titane( TiO₂)— Dépôts jusqu’ à 100 nm en un passage( jusqu’ à 1 µ m en multicouche) [ 4 ]. Après recuit, on obtient des films denses, homogènes, présentant un indice de refraction n jusqu’ à 2,60 ± 0,01 à 520 nm( UHRI). L’ indice se règle via l’ état cristallin( amorphe → anatase, Fig. 2). Les films présentent une très faible absorption et une très faible diffusion( Tableau 1) même à indice de refraction élevé, grâce à des grains d’ anatase < 20 nm denses. La matière peut être imprimée par nano-impression thermique douce.
La chimie sol-gel développée permet de mélanger parfaitement les résines inorganiques ULRI et UHRI; en combinant porosité contrôlée( indices faibles) et cristallinité ajustée( indices élevés), il est possible de couvrir la plage d’ indice de réfraction allant de n = 1,12 à n = 2,60. Des indices encore plus élevés sont envisageables, mais
DE L’ IMPORTANCE DU CONTRASTE D’ INDICE
Figure 2. Gauche: diagramme de chromaticité de méta-surfaces colorées constituées de traits inclinés en TiO₂ à indice de réfraction élevé sur verre,( ★) dans l’ air,( ✚) encapsulés dans de la silice SiO₂ à indice de réfraction faible,( ●) dans de la silice SiO₂ à indice de réfraction standard. Droite: schémas correspondants.
l’ apparition de la phase rutile accroît les pertes par diffusion aux courtes longueurs d’ onde. Même très poreux, ces matériaux peuvent être entièrement hydrophobes.
CONCLUSION Grâce à une chimie liquide avancée, nous avons développé des procédés évolutifs pour déposer des matériaux à indice de réfraction ultra-élevé et ultra-faible avec de très faibles pertes. Le contrôle précis de l’ épaisseur, de la porosité et de la cristallinité par des techniques de dépôt simples( spin-, dip-coating) à conditions ambiantes offre une fabrication à faible coût
RÉFÉRENCES répondant aux exigences strictes des prochaines générations de composants photoniques: méta-surfaces, PIC, composants optiques avancés pour l’ imagerie, la réalité augmentée et la photonique quantique. Le contraste d’ indice inédit entre SiO₂ hautement poreux et TiO₂ dense ouvre la voie à des performances extrêmes. Bien que la nano-fabrication de dispositifs dépasse le cadre de cet article, il est important de souligner qu’ avec le procédé chimie sol-gel permet d’ imprimer directement des structures 3D en silice et dioxyde de titane, évitant la complexité des procédés de lithographie, lift-off et gravure conventionnels.
[ 1 ] A. Jilani et al., Advance deposition techniques for thin film and coating. Modern technologies for creating the thin-film systems and coatings 2.3, 137( 2017).
[ 2 ] C. C Sanchez et al., Comptes Rendus Chimie 13, 3( 2010) [ 3 ] M. Modaresialam et al., Chemistry of Materials 33, 5464( 2021) [ 4 ] M. O ' Byrne, et al., Thin Solid Films 790, 140193( 2024) [ 5 ] A. C. de Souza, et al., Scientific reports 13.1, 21352( 2023)
Pour les métasurfaces dédiées à la generation de couleurs structurelles( Fig. 2), un contraste d’ indice de refraction élevé se traduit par des réflexions plus fortes aux interfaces, des franges d’ interférence plus nettes et donc des couleurs plus vives et saturées. À contraste faible, les interférences s’ affaiblissent: les couleurs deviennent pâles et larges. Exemple: nervures inclinées en TiO₂( n = 2,6) sur verre( n = 1,45) [ 5 ]; dans l’ air ou dans SiO₂( n = 1,12) le gamut atteint les bords du diagramme, tandis que dans SiO₂ classique les résonances s’ élargissent et les teintes tirent vers le blanc.
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