Conception de cristaux photoniques à base d'opales inverses et de biostructures

Résumé

Les cristaux photoniques sont des matériaux aux propriétés exceptionnelles : ils peuvent posséder une Bande Interdite Photonique (BIP) empêchant complètement la propagation d’ondes de certaines fréquences en leur sein. Ils peuvent donc confiner et guider la lumière avec une efficacité inégalables par d’autres matériaux, telles les fibres optiques classiques ; ils sont aussi capables d’inhiber l’émission spontanée d’espèces luminescentes, de favoriser l’effet Laser… Ils sont enfin pressentis pour être les acteurs principaux d’une révolution technologique consistant à remplacer l’électron par le photon comme transmetteur d’information. Depuis 1987 et les premiers travaux théoriques les concernant, les cristaux photoniques ont fait l’objet d’une grande attention de la part de la communauté scientifique. Différentes méthodes physiques de type lithographiques ont été développées mais la lenteur et le coût important de ces techniques a mené au développement d’une autre voie de synthèse basée sur l’utilisation d’opales et de leurs répliques, les opales inverses, qui peuvent posséder une BIP. Cette thèse porte sur la conception de ces matériaux au remarquable potentiel. En particulier, nous avons orienté notre travail vers le principal défi actuel de ce domaine de recherche : l’obtention d’une BIP dans les longueurs d’ondes UV-Visibles. La stratégie scientifique mise en oeuvre comportait ainsi quatre étapes : la synthèse des colloïdes, leur assemblage en opales, l’infiltration de l’opale à l’aide d’un matériau hautement réfringent et son élimination afin de révéler la structure opaline inverse. Des colloïdes silicatés et polymériques aux propriétés structurales (taille, polydispersité) parfaitement contrôlées ont été synthétisés, respectivement par la méthode de Stöber et par polymérisation en émulsion sans surfactant. Des études systématiques et mécanistiques ont permis d’une part d’obtenir une excellente connaissance de l’influence des conditions réactionnelles sur les colloïdes et d’autre part de mieux comprendre les phénomènes thermodynamiques et cinétiques liés à ces synthèses. Les sphères colloïdales ont ensuite été assemblées en opales par sédimentation et auto-assemblage par déposition verticale, cette dernière technique ayant fait l’objet d’un intérêt particulier. Nous avons étudié les influences de différents paramètres expérimentaux sur les matériaux obtenus et avons investigué leurs mécanismes, en mettant notamment en évidence le rôle des forces électrostatiques durant l’auto-assemblage. Des études complémentaires nous ont permis de réduire les défauts présents dans les opales, de contrôler parfaitement leurs propriétés optiques et même d’envisager la conception d’opales possédant plusieurs BIP. Enfin, les opales de qualité conçues ont été infiltrées à l’aide de trois composés aux propriétés optoélectroniques particulièrement intéressantes, l’Oxyde de Titane, l’Oxyde de Tantale et le Sulfure d’Etain. Grâce aux méthodes de synthèse Sol-Gel de Déposition en Vapeur Chimique et par une élimination adéquate des opales, les deux premiers ont permis de synthétiser des opales inverses présentant une réflectance caractéristique dans l’UV-Visible aux applications potentielles très intéressantes. Parallèlement à cette recherche, nous avons envisagé également la conception de cristaux photoniques inédits à base de biostructures photoniques. La réplication de l’aile d’un papillon présentant des couleurs structurales a dans ce cadre été réalisée. Cette recherche constitue un résultat préliminaire essentiel dans un domaine de recherche très vaste en encore largement inexploré.

la date de réponse	19 juin 2009
langue originale	Français
L'institution diplômante	Universite de Namur
Superviseur	Jean-Pol VIGNERON (Jury), Davide BONIFAZI (Jury), Johan Wouters (Président), Philippe Belleville (Jury), Yann Garcia (Jury) & BAO LIAN SU (Promoteur)