Matériau composite de silice dopée par des nanoparticules magnétiques de ferrite de cobalt : influence de la structuration 3D sur le comportement spectral de l'effet Faraday

Composite material of Silica doped by Cobalt Ferrite magnetic nanoparticles : influence of 3D structure on the spectral behavior of the Faraday effect

• Auteur / Autrice : Elie Abou Diwan
• Direction : Jean-Jacques Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 24/10/2014
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Télécom Claude Chappe (Saint-Etienne)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Soppera
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Rousseau, François Royer, Damien Jamon, Niels Keller, Vy Yam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faraday, Effet

Sol-gel, Procédé

Nanoparticules magnétiques

Mots clés libres

Opales

Cristaux magnéto-photoniques 3D

Sol-gel

Nanoparticules magnétiques

Rotation Faraday

Ellipticité Faraday

Facteur de mérite

Caractérisation magnéto-optique

Silica opals

3D Magneto-photonic Crystals

Sol-gel

Magnetic Nanoparticles

Faraday rotation

Faraday Ellipticity

Figure of Merit

Magneto-optical Characterization

Résumé

Le laboratoire LT2C utilise depuis quelques années un procédé sol-gel basse température pour développer un matériau magnéto-optique composite parfaitement compatible avec les technologies d’optique intégrée sur verre. Néanmoins, la qualité actuelle du matériau ne permet pas son utilisation dans l’intégration des composants à effets non-réciproques. Dans le but d’exalter les effets magnéto-optiques et le facteur de mérite du matériau, le laboratoire LT2C s’est orienté vers sa structuration 3D en adaptant une approche basée sur les opales. Cette dernière consiste à fabriquer des opales directes à partir de l’auto-arrangement de microbilles de polystyrène sur un substrat de verre. Les opales sont ensuite infiltrées par une solution sol-gel dopée par des nanoparticules magnétiques de ferrite de cobalt. Après traitement thermique, le polystyrène est dissout dans l’acétate d’éthyle pour obtenir une structure 3D formée de trous d’air dans une matrice de silice dopée. Dans ce cadre, l’objectif des travaux de cette thèse consiste tout d’abord à optimiser au mieux la procédure d’élaboration des opales afin d’améliorer leur qualité structurelle et magnéto-optique. Ensuite, il consiste à réaliser une étude systématique des effets magnéto-optiques dans ces structures 3D pour investiguer le comportement spectral de l’effet Faraday, et ainsi qualifier les modifications apportées au facteur de mérite. Une analyse des images MEB et une caractérisation optique montrent que notre méthode d’élaboration conduit à la fabrication d’opales de bonne qualité structurelle et optique. Les mesures de rotation et d'ellipticité Faraday en fonction du champ magnétique appliqué présentent des cycles d’hystérésis, et mettent en évidence un effet non-réciproque, ce qui surligne le caractère magnéto-optique des opales inverses dopées. Une étude spectrale systématique des effets magnéto-optiques dans ces structures 3D montre deux pics et une atténuation de rotation et d’ellipticité Faraday, respectivement en bords et au centre de la BIP. Cependant, ces modifications spectrales significatives ne conduisent pas à une exaltation de la valeur du facteur de mérite. Cela est principalement dû aux défauts structurels qui diminuent le niveau de transmission de l’opale inverse dopée par rapport la couche de référence

LT2C laboratory uses since recent years a low temperature sol-gel process to develop a magneto-optical composite material that is perfectly compatible with glass integrated optics. However, due to an actual low figure of merit, this material cannot be embedded on integrated non-reciprocal devices. In order to exalt the magneto-optical effects and figure of merit, the LT2C laboratory adopted a process based on opals to 3D structure the material. The selected process consists in elaborating direct opals by self-assembling monodisperse polystyrene microspheres on glass substrate. Those opals are then impregnated with a homogeneous solution of sol-gel silica precursors doped with cobalt ferrite nanoparticles. Resulting samples are later oven dried for 1 hour at 90°C. Finally, polystyrene spheres are dissolved in ethyl acetate to obtain a 3D structure formed by air voids in doped silica matrix. In this context, the objective of this thesis is to optimize the fabrication process of opals in order to improve their structural and magneto-optical quality. Furthermore, it consists in making a systematic study of the magneto-optical effect in these structures in order to investigate the spectral behavior of the Faraday effect and thus quantify the figure of merit. Analysis of SEM images and optical characterization prove that our elaboration process leads to the fabrication of opals with good structural and optical quality. Measurements of Faraday rotation and ellipticity as a function of applied magnetic field show hysteresis loops with an unambiguous non-reciprocal behavior. These observations highlight the magneto-photonic character of the doped inverse opals. A systematic spectral study of the magneto-optical effect in these 3D structures displays two peaks and an attenuation of Faraday rotation and ellipticity, respectively at the edges and the center of the photonic band gap. However, these significant spectral modifications do not increase the value of figure of merit. This ascertainment is primarily due to structural defects that lower the transmission magnitude of the doped inverse opals in comparison to a magneto-optical reference monolayer