Etude de couches structurées à base d’azopolymères pour l’optique diffractive et plasmonique photo-modulable

Study of azobenzene-containing structured films for tunable photonic and plasmonic systems

• Auteur / Autrice : Sylvain Chevalier
• Direction : Jacques Peretti, Thierry Gacoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Éric Cassan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Peretti, Thierry Gacoin, Éric Cassan, Fabien Sorin, Jérôme Plain, Patrick Bouchon, Frédérique de Fornel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabien Sorin, Jérôme Plain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Photonique

Optique

Matériaux -- Propriétés optiques

Mots clés libres

Azobenzène

Réseaux

Plasmonique

Photo-Déformation

Photonique

Azomatériaux

Modulable

Azobenzene

Gratings

Plasmonic

Photo-Deformation

Photonic

Azomaterial

Tunability

Résumé

La photoisomérisation de la molécule d’azobenzène entre ses formes trans et cis génère un travail mécanique qui peut déformer la matrice solide environnante et provoquer un déplacement de matière. Il est en particulier possible de contrôler optiquement la formation de motifs de taille micro- et nanométrique à la surface d’un matériau de type polymère ou verre. Ces phénomènes ont été étudiés en détails ces dernières années et de nombreuses approches ont été proposées pour réaliser des dispositifs ajustables qui exploitent les propriétés photomécaniques des azo-matériaux.L’objectif de ce doctorat était de réaliser des réseaux de micro- et nanostructures hybrides métal/diélectrique contenant des matériaux à base de dérivés d’azobenzène, et d’étudier, d’une part, la réponse photomécanique de ces structures et, d’autre part, la variation des propriétés optiques des réseaux associée à la photo-déformation des structures.La première partie de ce travail a consisté au développement d’une méthode de structuration de polymères photo-actifs à base d’azobenzène en réseaux de piliers par embossage en voie liquide. L’étude des déformations des micro- et nanostructures induites par photo-stimulation dans la bande d’absorption des molécules d’azobenzène montre en particulier que les déformations sont dirigées par la polarisation de la lumière et que certaines déformations peuvent être réversibles. Les propriétés optiques (diffraction, transmission) des réseaux de micro- et nanostructures sont alors ajustables en fonction de la déformation du motif.Dans un second temps, les motifs d’azo-matériaux sont recouverts par une fine couche d’or d’une dizaine de nanomètres. Il a été montré que les propriétés photomécaniques de l’azo-matériau sont conservées malgré la métallisation. Dans la gamme du spectre visible, les interférences présentes dans le spectre de réflexion sont annulées par la déformation du motif du réseau. En lumière infrarouge, cette déformation permet de modifier les conditions de couplages entre les modes localisés et les modes propagatifs présents dans la structure métallisée. Le contrôle de la forme des motifs qui composent le réseau permet donc de moduler avec précision les propriétés optiques et plasmoniques du système hybride.

Trans-cis photo-isomerization of azobenzene units generate mechanical work on its hosting matrice, allowing matter migration inside. This property allows to optically pattern micro and nanometric structures at the surface of azobenzene-containing materials (polymer, glass). Such phenomena were widely investigated and exploited to produce tunable devices exploiting photo-mechanical properties of azobenzene molecules.The purpose of this thesis were to fabricate metal-dielectric azobenzene-containing micro and nanostructured gratings and study the evolution of their optical and plasmonic properties under light stimulation.First, we developped a structuration methode inspired from solvent-assisted nanoimprint lithography to generate 2D azobenzene-gratings of pillars. Type and direction of the deformation induced in the structures were directly associated with the stimulation light polarization. Reversibility of the deformation were observed for a certain type of illumination cycle. Modification of the optical properties (transmission, diffraction) was investigated during the deformation of the pillars.Then, gratings were covered with tens of nanometers of gold. Metallization did not affect the deformation of the structures. Study in the visible range shows that interferences in the reflection spectra vanishes during the photo-deformation. In the infrared domain, the deformation leads to a strong modification of the plasmonic properties, enhancing particular plasmonic modes in favor of others. Control of the grating pillars shape allows a precise tenability of optical and plasmonic properties of the hybrid device.