Auto-organisation de nanoparticules d'argent avec laser femtoseconde dans une matrice TiO2 : applications aux couleurs plasmoniques, à plusieurs images cachées et au multiplexage d'images couleur

Self-organization of silver nanoparticles with femtosecond laser in TiO2 matrix : Applications to plasmonic colours, multiple hidden images and Colour Image-Multiplexing

• Auteur / Autrice : Nipun Sharma
• Direction : Nathalie Destouches, Guy Vitrant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Matériaux pour l'optique
• Date : Soutenance le 21/10/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : David Grosso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jan Siegel, Youcef Ouerdane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Soppera, Mona Tréguer-Delapierre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmons

Lasers femtoseconde

Oxyde de titane

Matériaux hybrides

Résonance plasmonique de surface

Nanoparticules d'argent

Nanoparticules

Mots clés libres

Auto-organisation de nanoparticules métalliques

Systèmes plasmoniques

Nanocomposites

Nanocomposites d'Oxyde de titane mésoporeux

Laser femtoseconde

Self-organization of metallic nanoparticles

Plasmon systems

Nanocomposites

Mesoporous Titanium Oxide Nanocomposites

Femtosecond laser

Résumé

L'auto-organisation de nanoparticules métalliques dans un support est un moyen efficace et peu coûteux de produire des systèmes plasmoniques pouvant être utilisés pour des applications d'affichage couleur actif, de codage d'image et de sécurité. De tels systèmes nanocomposites doivent être synthétisés sous forme de films stables qui pourraient être enduits sur tout type de surface pour un traitement laser. Cette thèse de doctorat porte sur l 'auto - organisation induite par laser de couches minces nanocomposites d' argent et d 'oxyde de titane mésoporeux.Dans ce travail, nous étudions d'abord la synthèse de couches minces mésoporeuses de TiO2 à l'aide d'un processus hydrolytique, facile à mettre en œuvre, pour fournir des films cristallisés à partir de 100 ° C. sont rapportés dans ce travail. En outre, les mécanismes de croissance des nanocristaux dans les films mésoporeux de TiO2 sont étudiés sous la forme de mesures ellipsométriques mettant en évidence son effet sur la porosité et la cristallinité du film avec la température de recuit.La deuxième étude démontre la fabrication de différentes structures nanocomposites à l'aide de la technique de balayage laser femtoseconde, déclenchant la croissance et l'auto-organisation de nanoparticules d'argent à l'intérieur d'une matrice de titane amorphe poreuse donnant lieu à des couleurs dichroïques plasmoniques. Une recherche plus approfondie sur l'étude paramétrique de ces nanocomposites donne lieu à différentes nanostructures à deux régimes de vitesse de balayage différents, qui se forment à la surface et sont noyées en dessous en raison de l'excitation de la surface et des modes guidés. La flexibilité de cette technologie de marquage laser permet également de fabriquer des nanostructures hybrides composées de différents types de nanostructures adjacentes, entrelacées pour couvrir de grandes surfaces. Une extension de cette étude est conclue sur des substrats plastiques / flexibles pour encoder des images imprimées diffractives. Ici, les nanostructures de surface (LIPSS) sont formées en utilisant le contrôle de la polarisation du laser et donc de l'orientation du réseau, qui est utilisé pour coder des images de niveau de gris qui peuvent être observées dans les modes de diffraction.De plus, cette étude se conclut en produisant trois multiplexages d'images qui peuvent être observés dans trois modes sélectionnés d'observation sous lumière blanche en réflexion avec lumière non polarisée et transmission entre polariseurs pour deux angles de polarisation différents. Cela est dû au fait que la biréfringence et le dichroïsme du film peuvent être contrôlés pour produire des gammes de couleurs sans précédent pour le multiplexage. Un tel traitement laser intelligent sur des films minces nanocomposites donne lieu à des applications artistiques et de sécurité en codant différentes images jusqu'à trois sous la même zone.

Self-organization of metallic nanoparticles in a medium is an efficient and a low-cost way to produce plasmonic systems that can be used for applications to active colour display, image encoding, and security. Such nanocomposite systems must be synthesized in form of stable films which could be coated on any kind of surface for laser processing. This doctoral thesis focuses on laser‐induced self‐organization of nanocomposite thin films of silver and mesoporous titania.In this work, we first investigate synthesizing mesoporous TiO2 thin films using hydrolytic process, which is easy to implement, to provide crystallized films starting at 100°C. First activation energies in mesoporous TiO2 films using Raman spectroscopy in combination with the phonon quantum confinement model are reported in this work. Further, growth mechanisms of nanocrystals in mesoporous TiO2 films are investigated in form of ellipsometric measurements highlighting its effect on film porosity and crystallinity with annealing temperature.The second study demonstrates fabrication of different nanocomposite structures using femtosecond laser scanning technique, triggering growth and self-organization of silver nanoparticles inside porous amorphous titania matrix giving rise to plasmonic dichroic colours. Further investigation on the parametric study of such nanocomposites gives rise to different nanostructures at two different scan speed regimes, which are formed at the surface and are embedded below due to excitation of surface and the guided modes. The flexibility of this laser-based marking technology also allows to fabricate hybrid nanostructures composed of different adjacent nanostructure types, interlaced to cover large areas. An extension of this study is concluded on plastic/flexible substrates to encode diffractive printed images. Here surface nanostructures (LIPSS) are formed by using the control of laser polarization and thus grating orientation, which is used to encode grey-level images that can be observed in diffraction modes.Further, this study is concluded by producing three image multiplexing which can be observed in three selected modes of observation under white light in reflection with non-polarized light and transmission between polarizers for two different polarization angles. This is due to the fact that the film birefringence and dichroism can be controlled to produce unprecedented colour gamuts for multiplexing. Such smart laser processing on nanocomposite thin films gives rise to artistic and security applications by encoding different images up to three under same area.